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EPSI, Sección de Náutica, Máquinas y Radioelectrónica Naval
TRABAJO DE FIN DE GRAGO
CURSO 2016 2017
NUEVAS
TECNOLOGÍAS DEL
RADAR DE
NAVEGACIÓN
Tutor: Antonio Ceferino Bermejo Díaz.
Alumna: Alba Alonso Frey.
Grado: Náutica y Transporte Marítimo.
TRABAJO DE FIN DE GRADO
CURSO 2016 2017
NUEVAS TECNOLOGÍAS
DEL RADAR DE
NAVEGACIÓN
2 Alba Alonso Frey
3 Alba Alonso Frey
RESUMEN
La palabra RADAR proviene del acrónimo inglés “Radio Detection And Ranging”,
algo así como detección y medición de ondas de radio. Se denomina radar al
dispositivo que sirve para la detección de objetos, así como la determinación de su
posición mediante la medición de direcciones o distancias, aprovechando las
propiedades de las ondas electromagnéticas de radio. Fue creado durante la segunda
guerra mundial y actualmente forma parte de uno de los equipos fundamentales de la
navegación marítima. El radar utilizado en los buques ha experimentado una
evolución tecnológica importante desde sus orígenes, pero este desarrollo siempre ha
estado limitado a la tecnología original basada en la modulación por impulsos, en el
que el emisor transmite cada cierto tiempo un impulso de corta duración. Sin
embargo en los últimos años se ha desarrollado una tecnología radar nueva en el
ámbito marítimo basada en la transmisión continua de la señal radar pero cambiando
continuamente la frecuencia en la que se emite y utilizando dos antenas una para la
emisión y otra para la recepción continua de la señal. Esto es justamente la
tecnología FMCW acrónimo inglés de “Onda Continua de Frecuencia Modulada”.
Muchos fabricantes de radares marinos están apostando por el desarrollo de esta
tecnología, pues las ventajas que presentan son numerosas.
4 Alba Alonso Frey
ABSTRACT
The word RADAR comes from the acronym “Radio Detection And Ranging”.
Radar is an object-detection system that uses radio waves to determine the range,
angle, or velocity of objects. Radar was developed secretly for military use by
several nations in the period before and during World War II and is currently part of
one of the main maritime navigation equipment. Radar used on ships has undergone
significant technological evolution since its inception, but this development has
always been limited to the original technology based on pulse modulation, in which
the transmitter transmits from time to time a pulse of short duration. However, in the
last years a new radar technology has been developed in the maritime field, which is
based on the continuous transmission of the radar signal but continuously changing
the emission frequency and using two antennas one for the emission and another for
the continuous reception of the signal. This new technology is based on the use of
FMCW techniques (Frequency Modulated and Continuous Wave). Many
manufacturers of marine radars are betting on the development of this technology,
and this is due to the numerous advantages that this technology presents.
5 Alba Alonso Frey
6 Alba Alonso Frey
ÍNDICE
ÍNDICE DE IMÁGENES .................................................................................................... 8
ÍNDICE DE TABLAS ....................................................................................................... 11
ACRÓNIMOS ................................................................................................................... 12
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 14
JUSTIFICACIÓN .............................................................................................................. 16
CAPÍTULO I: SISTEMAS RADAR .................................................................................. 19
1.1. Introducción a los sistemas Radar. ........................................................................... 20
1.2. Funcionamiento del Radar. ...................................................................................... 20
1.3. Clasificación de los sistemas Radar. ........................................................................ 21
1.3.1. Radares de onda pulsada………………………………………………………...21
1.3.2. Radar de Onda Continua………………………………………………………...22
1.4 Bandas de frecuencias utilizadas por el radar ............................................................ 23
CAPÍTULO II: RADAR CONVENCIONAL DE ONDA PULSADA ................................ 25
2.1. Orígenes del sistema Radar. .................................................................................... 26
2.2. Fundamentos del Radar. .......................................................................................... 29
2.3. Bandas de trabajo del sistema RADAR convencional............................................... 31
2.4. Unidades que componen un equipo radar de onda pulsada ....................................... 32
2.5. Evolución histórica del sistema RADAR-ARPA ...................................................... 34
2.5.1 Marco normativo del sistema RADAR-ARPA……………………………...35
CAPÍTULO III: RADAR FMCW ...................................................................................... 38
3.1. Radar de onda continua y frecuencia modulada. ....................................................... 39
3.2. Historia del radar FMCW. ....................................................................................... 40
3.3. Ventajas y aplicaciones del radar FMCW. ............................................................... 42
3.4. Aplicaciones donde se utiliza el radar FMCW.......................................................... 44
3.5. Funcionamiento Radar FMCW ................................................................................ 47
3.5.1. Modulación lineal de la frecuencia……………………………………………...47
3.6. Componentes de un radar FMCW ............................................................................ 58
3.6.1 Diagrama de bloques del sistema………………………………………………...59
7 Alba Alonso Frey
3.6.2. Componentes de radiofrecuencia…………………..…………………………....60
CAPÍTULO IV: RADAR DE PULSO VS RADAR FMCW ............................................... 64
4.1. Desarrollo de tecnológico del radar marino .............................................................. 65
4.2. Cómo funciona la nueva tecnología radar ................................................................ 66
4.3. Diferencias entre el radar de onda pulsada y el radar FMCW ................................... 71
4.4. Resumen de las diferencias entre ambas tecnologías. ............................................... 77
CAPÍTULO V: RADARES FMCW ACTUALES EN EL MERCADO .............................. 78
5.1. Diseño de la nueva tecnología Radar ....................................................................... 79
5.2. Principales modelos de radar FMCW ....................................................................... 80
5.2.1. Broadband Radar………………………………………………………………...80
5.2.2. Chirp Pulse Compression Radar…………………………………………………88
CONCLUSIÓN ................................................................................................................. 93
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... 95
8 Alba Alonso Frey
ÍNDICE DE IMÁGENES
Figura 1.1. Diagrama de bloques de un radar de pulso. Fuente: Elaboración propia.
Figura 2.1. El primer RADAR informatizado delmundo. Fuente: Kongsberg
maritime.
Figura 2.2. Representación de una pantalla actual de un sistema RADARARPA.
Fuente: Maritraining.
Figura 3.1. Diagrama de bloque del radio altímetro de Bentley. Fuente:”
Fundamentals of short-range FM radar”.
Figura 3.2. Frecuencia instantánea de las señales emitidas y recibidas. Fuente:
“Fundamentals of short-range FM radar”.
Figura 3.3. Radar medidor de nivel. Fuente: “Fundamentals of short-range FM
radar”.
Figura 3.4. Zonas de cobertura del sistema de aviso de colisión de vehículos.
Fuente: “Fundamentals of short-range FM radar”.
Figura 3.5. Modulación lineal diente de sierra (up-chirp) Fuente:”Diseño y
validación de un radar CW-FM a 94 GHz”.
Figura 3.6. Modulación lineal diente de sierra (down-chirp). Fuente:”Diseño y
validación de un radar CW-FM a 94 GHz”.
Figura 3.7. Modulación lineal triangular. Fuente:”Diseño y validación de un radar
CW-FM a 94 GHz”.
Figura 3.8. Configuración homodina de un radar FMCW. Fuente: ”Diseño y
validación de un radar CW-FM a 94 GHz”.
Figura 3.9. Diagrama de bloque de un radar FMCW. Fuente: “Detección de
movimiento mediante técnicas radar CW-FM en banda W”.
Figura 3.10. Señal de batido a la salida del Mixer (Mezclador). Fuente: “Detección
de movimiento mediante técnicas radar CW-FM en banda W”.
9 Alba Alonso Frey
Figura 3.11. Respuesta frecuencial Sb (f) para un único blanco. Fuente: “Detección
de movimiento mediante técnicas radar CW-FM en banda W”.
Figura 3.12. Respuesta de un radar FMCW con modulación triangular a un blanco
estático. Fuente: “Detección de movimiento mediante técnicas radar CW-FM en
banda W”.
Figura 3.13. Respuesta de un radar FMCW frente a blancos no estáticos. Fuente:
“Detección de movimiento mediante técnicas radar CW-FM en banda W”.
Figura 3.14. Diagrama de bloque de un radar FMCW. Fuente: ): Diseño e
implementación de un radar de un sistema de radar estático de corto alcance de onda
continua en frecuencia modulada para mediciones de rango y velocidad.
Figura 3.15. Diagrama de bloques del sistema. Fuente: Diseño e implementación de
un radar de un sistema de radar estático de corto alcance de onda continua en
frecuencia modulada para mediciones de rango y velocidad.
Figura 3.16. Respuesta en frecuencia de un filtro pasa banda. Fuente: ): Diseño e
implementación de un radar de un sistema de radar estático de corto alcance de onda
continua en frecuencia modulada para mediciones de rango y velocidad.
Figura 3.17. Diagrama de bloques de un filtro pasa banda. Fuente: ): Diseño e
implementación de un radar de un sistema de radar estático de corto alcance de onda
continua en frecuencia modulada para mediciones de rango y velocidad.
Figura 3.18. Respuesta de un filtro pasa bajos. Fuente: ): Diseño e implementación
de un radar de un sistema de radar estático de corto alcance de onda continua en
frecuencia modulada para mediciones de rango y velocidad.
Figura 4.1. Diagrama básico radar con las señales de entrada /salida para la lectura
de datos en la pantalla del radar. Fuente: “Electrónica Marina”.
Figura 4.2. Esquema del envío y recepción de la señal de un radar de pulso. Fuente:
Elaboración propia.
Figura 4.3. Esquema del envío y recepción de la señal de un radar FMCW. Fuente:
Elaboración propia.
10 Alba Alonso Frey
Figura 4.4. Gráfico de la transmisión de la frecuencia radar FMCW. Fuente: “Aztec
Sailing.”.
Figura 4.5. Representación pantalla radar FMCW. Fuente: “Aztec Sailing”.
Figura 4.6. Comparativa discriminación de blancos. Fuente: Simrad.
Figura 4.7. Anulación de las interferencias. Fuente: “Simrad”.
Figura 5.1. Emisiones extremadamente bajas Broadband Radar. Fuente: “Navico
Broadband Radar Essential Guide”.
Figura 5.2. Comparativa discriminación de rango. Fuente: “Navico Broadband
Radar Essential Guide”.
Figura 5.3 Antena de un Broadband Radar de Simrad. Fuente: Simrad.
Figura 5.4 Antena de un Broadband Radar de Northstar. Fuente: Simrad.
Figura 5.3 Antena de un Broadband Radar de Lowrance. Fuente: Lowrance.
Figura 5.3. Comparativa de rendimiento a corto y largo alcance. Fuente: Trimer.
Figura 5.4. Antena del HALO™-3 Pulse Compression Radar. Fuente Simrad.
11 Alba Alonso Frey
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla. 1.1 Bandas de Frecuencias Radar.
Tabla 2.1. Comparación de pulsos para diferentes situaciones.
Tabla 4.1. Resumen de las diferencias entre radar de pulso y radar FMCW
Tabla 5.1. Características específicas BROADBAND RADAR 4G de simrad.
Tabla 5.1. Características específicas BROADBAND RADAR de Northstar.
Tabla 5.1. Características específicas BROADBAND RADAR de Lowrance.
Tabla 5.4. Características principales del HALO™-3 Pulse Compression Radar.
Tabla 5.5. Características específicas del HALO™-3 Pulse Compression Radar.
12 Alba Alonso Frey
ACRÓNIMOS
RADAR RAdio Detection and Ranging, (Detección y medición de distancias por
radio).
ECDIS Electronic Chart Display and Information System.
AIS Automatic Identification System (Sistema de Identificación Automática).
GPS Global Positioning System.
FMCW Frequency Modulated Continuous Wave.
PRF Pulse Repetition Frequency (frecuencia de repetición de pulso).
CW Continuous wave (Onda Continua).
IMO International Maritime Organization (Organización Marítima
Internacional).
ARPA Automatic Radar Plotting Aid, (Radar de Punteo Automático).
RVP Residual Video Phase, (Fase de Video Residual).
DFT Discrete Fourier Transform, (Transformada discreta de Fourier).
FFT Fast Fourier Transform. (Transformada rápida de Fourier).
LMF Lineal Modulation Frequency, (Modulación lineal de la Frecuencia).
VCO Voltage Controlled Oscillator, (Oscilador Controlado por Voltaje).
LNA Low Noise amplifier, (Amplificador de bajo Ruido).
ADC Analog to Digital Converter, (Convertidor de analógico a Digital).
BPF Band Pass Filter, (Un filtro pasa banda).
LPF Low Pass Filter, (Filtro Pasa bajos).
13 Alba Alonso Frey
14 Alba Alonso Frey
INTRODUCCIÓN
El radar es una herramienta primordial e indispensable en la navegación marítima
actual, tanto de la marina mercante, como deportiva. A bordo de un buque hablar de
radar, es hablar de uno de los equipos de ayuda a la navegación más importante del
puente. Para el oficial de navegación supone una ayuda primordial en materia anti-
colisión, así como en malas condiciones de visibilidad o nocturnidad o incluso en
navegación costera el radar es el reflejo más cercano y claro del entorno.
En la última década se han producido grandes avances tecnológicos que han
significado que el equipo radar presente actualmente en los buques mercantes diste
mucho de sus originarios. Y es que se han producido grandes mejoras en cuanto a las
prestaciones que estos ofrecen, siendo capaces de manipular las señales de eco
recibidas y, en particular de digitalizarlas. Obviamente este avance ha ido de la mano
del avance de la computación, pues gracias a ello una gran cantidad de datos pueden
ser ahora procesados y almacenados, siendo lo más significativo la capacidad de
integrar y mostrar las imágenes de radar con datos de otros sensores como ECDIS,
AIS, GPS, etc. A pesar de estos avances importantísimos, el desarrollo del radar
marino siempre ha estado limitado al uso de la tecnología convencional de pulso.
Esto ha hecho que, aún con las indiscutibles mejoras mencionadas, estos se hayan
quedado atrás en comparación al desarrollo presentado en radares utilizados en el
campo militar e incluso la industria civil aeronáutica.
Sin embargo, en los últimos años, esto ha comenzado a cambiar, ya que fabricantes
de radar como Simrad, Navico, Raymarine, entre otros están apostando por el
desarrollo de nuevos radares marinos utilizando tecnología de estado sólido, que usa
técnicas FMCW (Onda continua y frecuencia modulada). Esto supone un enfoque
nuevo y novedoso de la tecnología radar dentro de la industria marítima, aunque,
cabe mencionar que no se trata de una tecnología nueva, pues se ha usado en la
industria de la aviación por décadas.
Esta nueva tecnología se le conoce como Radar de Estado Sólido (por el uso de
transmisores de estado sólido), Broadband Radar (el nombre comercial más
generalizado), Pulse Comprension Radar (Radar de comprensión de pulsos) y Chirp.
15 Alba Alonso Frey
Hay algunas variaciones entre ambos, pero todos operan usando onda continua y
frecuencia modulada. Por lo que, al margen de los nombres comerciales, esta nueva
tecnología responde por el nombre de Radar FMCW.
El radar FMCW prescinde del uso del característico magnetrón del radar tradicional
de onda pulsada, en su lugar utiliza transmisores de estado sólido de banda ancha que
generan una señal limpia y estable, que a su vez está acoplado a un receptor con una
banda más precisa de frecuencias que elimina gran parte del ruido de fondo.. Y es
que, en vez de transmitir un poderoso y breve pulso, el nuevo radar transmite una
onda continua de frecuencia ascendente, es decir, una onda modulada en frecuencia
(FMCW). El transmisor emite una señal continua la cual va variando linealmente la
frecuencia. El método para calcular la distancia varía, de manera que en vez de
calculando el tiempo que tarda el impulso reflejado en volver de vuelta a la antena,
en este caso, se hace mediante una diferencia de frecuencias (La frecuencia que se
está transmitiendo y la frecuencia que se está recibiendo en la antena receptora).
Esta nueva tecnología presenta numerosas ventajas entre las que destacan la gran
resolución de imagen, la capacidad de detectar blancos a pocos metros del radar, gran
discriminación de blancos, así como su baja radiación y consumo, entre otros.
Aunque cabe mencionar que estos nuevos radares están aún enfocado a pequeñas
embarcaciones de la náutica de recreo, su gran acogida y sus grandes prestaciones
han hecho que su salto a la marina comercial esté cada vez más cerca.
16 Alba Alonso Frey
JUSTIFICACIÓN
En la elección del presente trabajo, una de las premisas clave que me han hecho
decidirme es la importancia que tiene el sistema radar en el ámbito marítimo. Y es
que, como futura oficial de la marina mercante, el radar, es una herramienta idónea
en la ejecución de mi labor diaria a bordo de un buque. Me pareció interesante
desarrollar como trabajo de fin de grado la investigación sobre la Nueva tecnología
de radar marino, en la que a diferencia de los radares de onda pulsada, emiten de
manera continua modulando linealmente la frecuencia.
Para ello el trabajo se ha organizado de manera que consta de cinco capítulos:
CAPÍTULO I: SISTEMAS RADAR
En este capítulo hago una introducción sobre el sistema radar y los diferentes tipos
que existen según determinados factores.
CAPÍTULO II: RADAR CONVENCIONAL DE ONDA PULSADA
En este capítulo desarrollo el radar de onda pulsada que es el que actualmente
predomina a bordo de los buques. Llevo a cabo una explicación de su
funcionamiento y sus partes para poder entender las diferencias con la nueva
tecnología.
CAPÍTULO III: RADAR FMCW
En este capítulo se hace una introducción de esta tecnología radar, su historia, sus
aplicaciones más comunes, así como su funcionamiento práctico y teórico y por
último los elementos que lo componen.
CAPÍTULO IV: RADAR DE PULSO Vs RADAR FMCW
En este capítulo llevo a cabo una comparativa entre ambas tecnologías radar en orden
desarrollar tanto las ventajas y desventajas de una tecnología frente a otra.
CAPÍTULO V: RADARES FMCW ACTUALES EN EL MERCADO
17 Alba Alonso Frey
En este capítulo hago una presentación de algunos radares de diferentes fabricantes
dotados de la nueva tecnología. En ellos se presentan las prestaciones generales y
puntuales de cada radar en concreto.
He considerado oportuno hacer dicha división para adentrarnos en el tema de una
manera organizada, de modo que los capítulos van de una visión general de los
sistemas radar y su clasificación, hacia una visión más específica del radar
convencional de onda pulsada y el radar FMCW, para seguir con una comparativa
entre ambos y finalizar con la presentación de los radares actuales en el mercado que
utilizan esta nueva tecnología radar.
En cuanto a la metodología utilizada, al tratarse de un trabajo de documentación ha
sido mayormente mediante la consulta de fuentes bibliográficas como libros, trabajos
de fin de grado, trabajos de fin de máster, y sobre todo, de artículos relacionados con
el tema.
18 Alba Alonso Frey
19 Alba Alonso Frey
CAPÍTULO I:
SISTEMAS
RADAR
20 Alba Alonso Frey
1.1. Introducción a los sistemas Radar.
El radar es un dispositivo cuya función es la detección de objetos y la determinación
de su posición mediante la medición de direcciones y/o distancias, haciendo uso de
las propiedades de las ondas electromagnéticas de radio.
El reglamento Internacional de Telecomunicaciones, lo define como: “Sistema de
radio determinación basado en la comparación entre las señales de referencia y las
señales radioeléctricas reflejadas o retransmitidas desde la posición a determinar”
1.2. Funcionamiento del Radar.
El funcionamiento del radar parte de una idea muy simple: Se transmite una señal,
esta es reflejada en un objeto y devuelta al sistema. Es un efecto similar al eco
producido por nuestra voz. La diferencia, el radar transmite ondas electromagnéticas,
conocidas también como ondas de radio, de ahí el origen de su nombre Radio
Detection And Ranging (Sistema de Detección y Distancia radio).
El radar emite una señal en forma de onda que incide en un objeto y es devuelta al
radar. Una vez el radar recibe la onda emitida, calcula la información que sea útil de
esta como el tiempo tardado en recibir la onda de vuelta, el cambio de frecuencia que
sufre esta señal o la potencia a la que la recibimos, dependiendo del principio de
funcionamiento del radar en cuestión. Esta información es procesada, extrayéndose
datos tales como posición, velocidad, etc.
Figura 1.1. Diagrama de bloques de un radar de pulso. Fuente: Elaboración propia.
21 Alba Alonso Frey
Una forma elemental de radar está formado por los siguientes componentes:
transmisor, receptor, procesador y presentador. Todo empieza con la transmisión
mediante la antena transmisora (en el caso de la ilustración la misma que la
recepción). Esta emite una radiación electromagnética con una determinada potencia
generada por algún tipo de oscilador. A continuación el conmutador (switch), hace
que la antena cese la transmisión y pase a modo recepción (podrían ser dos antenas
independientes siendo innecesario el conmutador). Parte de la señal transmitida
incide en un objeto, esta es reflejada en él e irradiada en todas direcciones, una de las
cuales será la dirección devuelta al radar. La antena receptora recibe la energía
devuelta y la envía al receptor, de ahí al procesador, donde tras procesar la señal, se
extrae información la cual será presentada de la forma que corresponda.
Los radares se pueden clasificar atendiendo a diversos criterios; según el número de
antenas, según la frecuencia de trabajo, según su función (exploración aérea,
exploración de superficie), según su objetivo (localización, detección, medida de
velocidad, etc. Pero quizás la clasificación más oportuna enfocada al trabajo presente
e incluso la más importante sea la clasificación según su modo de funcionamiento,
dividiéndolos en radares de onda continua y radares de onda pulsada.
1.3. Clasificación de los sistemas Radar.
1.3.1. Radares de onda pulsada
Los radares de onda pulsada son bien conocidos por los marinos, pues estos son los
radares predominantes a bordo de los buques mercantes. Estos radares se
caracterizan por transmitir una señal de muy alta frecuencia con una gran potencia de
forma pulsada. Tras este pulso le sigue un tiempo de silencio más largo con el fin de
recibir la señal transmitida y escuchar el eco de la señal antes de volver a transmitir
otro pulso. Con este tipo de radares se puede obtener dirección, distancia, velocidad
del blanco, etc.
Estos radares pueden clasificarse a su vez según:
La frecuencia de repetición de pulso PRF:
- PRF alto (mayor que 30kHz)
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- PRF medio (entre 3 y 30 kHz)
- PRF bajo (igual o menor a 3 kHz)
Hay que destacar que PRF bajos aportan gran precisión, grandes alcances y buenos
resultados en medición de distancia, pero no son recomendados para medición del
Doppler (velocidad).
Por otro lado, los PRF altos presentan la ventaja de que la potencia media de
transmisión es superior y son muy aptos para la eliminación del clutter. Pero como
contrapartida son muy imprecisos en la medición de distancia.
Debido a estas diferencias entre el uso de PRF alto y bajo, se suelen utilizar PRF
medios para solucionar estas ambigüedades tanto en distancia como en velocidad.
La preservación de fase:
- Radares coherentes, aquellos que preservan la fase.
- Radares incoherentes, aquellos cuya fase es arbitraria pulso a pulso.
En general, en los radares de onda pulsada hay tener en cuenta diferentes factores
como son la distancia no ambigua, las distancias ciegas y la máxima velocidad no
ambigua.
1.3.2. Radar de Onda Continua
La principal diferencia a destacar de este radar con respecto al de onda pulsada es
que los radares de onda continua transmiten de forma ininterrumpida. Basan su
funcionamiento en el efecto Doppler (variación aparente de la frecuencia debido al
movimiento de los blancos). Pudiéndose clasificar según:
El número de antenas:
- Biestático: Una antena de transmisión y otra de recepción.
- Monoestático: La antena de transmisión y recepción es la misma.
- Quasi-monoestático: La antena transmisora y la receptora están tan juntas que
desde el punto de vista del blanco parece que sólo hay una antena.
- Multiestático: Combina la información recibida de varias antenas.
23 Alba Alonso Frey
La forma de onda (en onda continua):
-Sin modular (CW): Están basados en el desplazamiento de la frecuencia entre la
señal recibida y la señal transmitida producido por el movimiento del blanco. Está
basado en el efecto Doppler, y no es posible calcular la distancia, sólo velocidad del
blanco.
-Modulado (FMCW): El sistema transmite una señal que varía dentro de un rango
determinado de frecuencias durante un periodo de tiempo determinado por una señal
de modulación. Entre las modulaciones más habituales se encuentran: Sinusoidal,
diente de sierra o triangular.
Identificación del objetivo:
-Radar primario: Basado en el funcionamiento básico, en el cual se detecta un blanco
y se recibe el eco correspondiente.
-Radar secundario: La señal que proviene del blanco es la producida por una baliza,
un repetidor o un transpondedor, obteniéndose cierta información de utilidad como
es la identificación de aeronaves.
La finalidad del radar:
-Radar de seguimiento: Destinados al seguimiento automático del objetivo.
-Radar de búsqueda: utilizados para la detección de blancos dentro de una zona de
interés. Pueden ser utilizados para corto, medio y largo alcance.
1.4 Bandas de frecuencias utilizadas por el radar
Por último es importante tener en cuenta la frecuencia de trabajo del radar, pues la
resolución del radar es determinada por esta. Es por ello que se distinguen diferentes
bandas de trabajo de los sistemas radar, que a su vez, delimitan el tipo de aplicación
para el que será utilizado. Las bandas de frecuencias son intervalos de frecuencias
del espectro electromagnético asignados a diferentes usos dentro de las
telecomunicaciones (tabla). Su uso está regulado por la Unión Internacional de
Telecomunicaciones.
24 Alba Alonso Frey
En la tabla a continuación se puede ver las diferentes bandas de frecuencias
utilizadas por el radar:
BANDA RANGO DE
FRECUENCIA
NOMINAL
RANGO DE
FRECUENCIA
ESPECIFICADO
PARA RADARES
BASADOS EN ITU HF 3-30 MHz
VHF 30-300MHz 138-144 MHz
216-225 MHz
UHF 300-1000 MHz 420-450 MHz
850-942 MHz
L 1-2 GHz 1215-1400 MHz
S 2-4 GHz 2300-2500 MHz
2700-3700 MHz
C 4-8 GHz 5250-5925 MHz
X 8-12 GHz 8500-10680 MHz
Ku 12-18 GHz 13,4-14 GHz
15,7-17,7 GHz
K 18-27 GHz 24,05-24,25 GHz
Ka 27-40 GHz 33,4-36 GHz
V 40-75 GHz 59-64 GHz
W 75-110 GHz 76-81 GHz
92-100 GHz
mm 110-300 GHz 126-142 GHz 144-149 GHz 231-235 GHz 238-248 GHz
Tabla. 1.1. Bandas de Frecuencias Radar.
25 Alba Alonso Frey
CAPÍTULO II:
RADAR
CONVENCIONAL
DE ONDA
PULSADA
26 Alba Alonso Frey
2.1. Orígenes del sistema Radar.
Para conocer los orígenes del RADAR debemos remontarnos a la aparición de la
rama de la física que lo hace posible, el electromagnetismo. Faraday es mejor
conocido por su trabajo relacionado con electricidad y el magnetismo. Los estudios
de Faraday tuvieron una transcendencia tal que sirvieron para que, en 1864, James
Clerk Maxwell describiera las leyes del electromagnetismo mediante una famosa
presentación oral presentada en la Royal Society.
Si bien su definición no es igual que aquella con la que contamos hoy día, sus aportes
fueron suficientes para que más tarde, en 1888, el físico alemán Heinrich Rudolf
Hertz demostrara mediante una serie de experimentos que las ondas de radio (ondas
electromagnéticas) se reflejaban en objetos sólidos. Con el descubrimiento de que era
posible producir y recibir ondas electromagnéticas comenzó una nueva era de
investigación respecto a las ondas electromagnéticas y su uso.
El primer sistema anticolisión de buques utilizando ondas electromagnéticas
conocido aparece en Alemania en 1904, de la mano del inventor alemán Christian
Hülsmeyer (Medel, 2). Este sistema fue llamado ‘Telemobiloscopio’, y, aunque se
conozca como el primer sistema anticolisión de buques, no se considera el primer
sistema RADAR, ya que no era posible conocer la distancia al eco presentado. Tras
el gran desastre del Titanic en 1912, se comprobó que las radio comunicaciones
durante el hundimiento del mismo fueron útiles, por lo que el uso de ondas de radio
vio incrementada su popularidad.
En los años anteriores a la segunda guerra mundial, los experimentos y
descubrimientos que se llevaron a cabo fueron realizados de forma secreta, lo que
conllevó a que en distintas partes del mundo se alcanzaran descubrimientos
diferentes.
Alemania: El científico Prof. Dr. Hans E. Hollmann, en colaboración con su buen
amigo el Científico Hans-Karl von Willisen crearon la compañía GEMA junto con el
Sr. Guenther Erbsloeh. Estos tres señores se dedicaron al estudio de las ondas
electromagnética, y para 1935 habían desarrollado el primer RADAR útil. Este
RADAR, conocido con el nombre de Freya, era para uso terrestre. Realizando un
27 Alba Alonso Frey
cambio en la longitud de onda, y usando el mismo sistema, consiguieron realizar un
RADAR de uso marino, que se conoció bajo el nombre de Seetakt.
Inglaterra: En 1935 Robert Watson-Watt consiguió detectar y seguir un avión a una
distancia de 38 millas. En 1936, el mismo Watt construyó la primera red de
detección de Inglaterra, que se conoció como Chain Home. Este RADAR
desarrollado por Watt fue una ventaja notable para las fuerzas aéreas británicas y de
hecho, ese modelo constituye la base del actual RADAR (Medel, 2-3). En 1940, John
Randall y Harry Boot realizaron un prototipo funcional de radar que más tarde se
instaló en todos los bombarderos de Inglaterra.
El desarrollo del mangetrón de cavidades resonantes ideado por el también británico
Eric Stanley Megaw dio a los equipos RADAR la posibilidad de trabajar en la banda
de ondas centimétricas, lo que redujo el tamaño de los equipos y aumentó la
precisión de los mismos.
Estados Unidos: En 1922 los científicos Albert Hoyt Taylor y Leo Crawford Young
llevaron a cabo un experimento en el río Potomac, en el que a una orilla pusieron un
transmisor y a la otra un receptor. Observaron que al paso de una embarcación, ésta
provocaba interferencias en la señal. Ante este descubrimiento, se pensó que podría
usarse este sistema para detectar buques en situaciones de baja visibilidad.
El término RADAR es acuñado por Estados Unidos en el año 1940 como significado
de RAdio Detection And Ranging.
Finalizada la guerra, se seguirá investigando sobre el RADAR, y éste comenzará a
utilizarse en los buques mercantes. El tamaño de los aparatos se vio drásticamente
reducido después de que, en 1947, se inventara el transistor en los laboratorios Bell.
28 Alba Alonso Frey
Figura 2.1. El primer RADAR informatizado del mundo. Fuente: Kongsberg
maritime.
Con el nacimiento de los componentes microelectrónicos en la década de 1960, y lo
barato que resultaba su fabricación, la tecnología avanzó a pasos agigantados, lo que
trajo mejoras en los equipos de navegación. Uno de esos equipos de navegación fue
el RADAR, que presenció cómo aparecía su componente más clásico, el sistema
ARPA, que fue comercializado por primera vez en 1969 por la empresa Norcontrol
(Kongsberg norcontrol). Este RADAR sería conocido como El primer RADAR
informatizado del mundo, e incluía un RADAR con un sistema de punteo automático
capaz de calcular las características cinemáticas del objetivo.
29 Alba Alonso Frey
2.2. Fundamentos del Radar.
El radar, tal como se usa en la navegación, es una herramienta que permite
determinar distancia mediante la medición del tiempo que transcurre entra la emisión
de una señal y la recepción de la señal reflejada en un objeto o blanco. El sistema de
modulación empleado en el radar marino convencional es de modulación por
impulsos, en el que el emisor cada cierto tiempo transmite un impulso de corta
duración de radio frecuencia.
El pulso de transmisión de un sistema RADAR-ARPA, es la cantidad de energía que
la antena del equipo emite. Esto permite que, a más energía, la señal tenga más
alcance, produciendo un mayor resalto de los ecos (este resalto será proporcional a la
cercanía del mismo).Las propiedades que caracterizan un impulso son las siguientes:
Duración: El tiempo que transcurre tras la emisión de un impulso. La
duración del mismo condiciona directamente el alcance mínimo del radar,
pues mientras está emitiendo no puede recibir las señales reflejadas. La
duración para escalas pequeñas suele ser entre 0,05 y 1 microsegundo.
Frecuencia de repetición: Es el número de impulsos transmitidos en un
segundo. Esta cantidad depende de la velocidad de giro de la antena, ya que a
mayor velocidad de giro, deberá corresponder una mayor frecuencia de
repetición de impulsos. El valor superior lo fija el alcance máximo deseado
por el radar. Habrá que esperar un tiempo suficiente para que puedan regresar
los impulsos reflejados a la distancia máxima que deseamos alcanzar. A
mayor alcance corresponderá una menor frecuencia de repetición de
impulsos. En los radares marinos su valor es de 750 a 3000 impulsos por
segundo. Se le conoce por la abreviatura anglosajona PRF (Pulse Repetition
Frecuency)
Potencia pico: Es la potencia máxima de emisión, de ella dependerá el
alcance, ya que al ser mayor ésta, con mayor intensidad se recibirá la señal
reflejada. La potencia pico sólo se alcanza en el instante de la emisión,
descansando durante los relativamente largos periodos de recepción. Los
valores pueden alcanzar los 1000 kW.
30 Alba Alonso Frey
En el equipo radar convencional de un buque mercante actual encontramos dos tipo
de impulso, un pulso corto y otro pulso largo, que dependiendo del equipo tendrá
unas características (energía transmitida, frecuencia, longitud de pulso, velocidad de
rotación de la antena, etc.). Cada equipo puede diferir en estas características
respecto a otro, aunque los valores son bastante parecidos ya que deben cumplir los
valores mínimos de la resolución de la IMO A.477 (XII): Estándares de
funcionamiento de los equipos RADAR. En la siguiente tabla se comparan ambos
pulsos para diferentes situaciones:
IMPULSO CORTO IMPULSO LARGO
Detección a gran
distancia
Pobre Buena
Detección a corta
distancia
Buena Pobre
Interferencia por olas El riesgo de
enmascaramiento es
menor
El riesgo de
enmascaramiento es
mayor
Interferencias por
precipitación
El riesgo de
enmascaramiento es
menor
El riesgo de
enmascaramiento es
mayor pero la capacidad
de detectar blancos que se
encuentren detrás de los
chubascos aumenta.
Efectos sobre el dibujo
del eco
Los blancos situados a
corta distancia se presenta
con claridad
Los blancos situados a
distancias medias y largas
presentan claridad notable
Discriminación de
distancia
Buena Pobre
Tabla 2.1. Comparación de pulsos para diferentes situaciones.
31 Alba Alonso Frey
2.3. Bandas de trabajo del sistema RADAR convencional
El concepto banda de trabajo hace referencia a las frecuencias en las que un equipo
(en este caso el RADAR) transmite. Dependiendo de la banda en la que se encuentre
la emisión, se le otorgará una clasificación. Esta clasificación comprende un rango de
frecuencias y de longitudes de onda, aunque la longitud de onda se puede considerar
implícita, ya que la clasificación solo habla de las frecuencias.
El sistema RADAR ofrece la posibilidad de trabajar en dos frecuencias. Ambas
frecuencias se clasifican en el espectro de S.H.F. (Super High Frequency), que
incluye las frecuencias desde 3GHz, hasta 30GHz. En nuestro caso, (Radar
convencional de pulso) encontraremos dos posibilidades: La Banda S (de 3GHz de
frecuencia y 10cm de longitud de onda), o la Banda X (de 9.4 GHz de frecuencia y
3cm de longitud de onda), cada una tiene sus ventajas, y sus preferencias en función
de la situación, no siendo posible transmitir en ambas a la vez. Por ejemplo, el
SART2 emite en banda X, por lo que para asegurarnos la recepción de dicha señal,
será necesario que nosotros estemos en esa banda de trabajo.
En función de la situación, una banda presenta mejores prestaciones que la otra,
como podemos ver a continuación. Por esta razón los buques mercantes están
dotados de dos radares uno en banda X y otro en Banda S.
• Detección de blancos: La banda X presenta los ecos de forma más nítida.
• Horizonte RADAR: La banda S nos permitirá un horizonte algo mayor que la
banda X.
• Interferencias del mar: Ante una posible interferencia producida por el mar, la
banda S es la que tendrá menos problemas, es decir, se necesitará condiciones muy
desfavorables del mar para que éste produzca interferencias en banda S.
• Atenuación por la precipitación: Ante una precipitación, la atenuación producida
será menor en la banda S que en la banda X.
• Discriminación en demora: La capacidad para diferenciar ecos depende del ancho
de señal con el que cuente la emisión, cuanto mayor sea éste, más difícil será que
diferencie dos ecos muy juntos a una distancia media. Ante esta característica, cabe
32 Alba Alonso Frey
destacar que el ancho del haz horizontal en banda S es unas 3 veces mayor que el que
hay en banda X.
Estructura vertical del haz: En el caso del haz vertical, ocurre exactamente lo
mismo que en su componente horizontal. Depende del ancho que tenga el haz
vertical, el buque contará con un sector ciego o con otro, y esto permitirá detectar
ecos más cercanos o menos, y diferenciarlos o confundirlos, como veíamos en la
ilustración anterior en el caso del haz horizontal. En este caso también en la banda S
contaremos con un haz vertical de unas 3 veces superior al de la banda X.
• Interferencia por lluvia: Si usamos la banda S, será más difícil que un eco se nos
enmascare debido a la lluvia.
2.4. Unidades que componen un equipo radar de onda pulsada
Fuente de alimentación: Es la encargada de proporcionar todos los voltajes
necesarios para la operación de los componentes del sistema.
Transmisor: Genera la energía de radiofrecuencia en forma de cortos y poderosos
impulsos. Está formado por una unidad disparadora (trigger), un modulador, un
magnetrón y una guía de ondas.
La unidad disparadora determina y controla la frecuencia de repetición de
los impulsos o cadencia de los mismos, de acuerdo con la base de tiempo,
su valor suele ser de 400 a 4000 impulsos por segundo.
Modulador: Es el encargado de asegurar que todos los circuitos
conectados con el sistema radar operen perfectamente sincronizados entre
sí y controla los impulsos de radiofrecuencia que se van a emitir,
determinando la forma, duración, frecuencia y potencia de los mismos.
Magnetrón: Se trata de un oscilador especial encargado de la generación
de un impulso de radiofrecuencia de muy corta duración.
Guía de ondas: Diseñada para conseguir una adecuada conducción de las
ondas y es que a través de ella los impulsos de radiofrecuencia llegan a la
33 Alba Alonso Frey
antena. Consiste en un tubo de cobre cuyas dimensiones dependerán de la
longitud de onda empleada.
Sistema de antena: La misión de la antena es recibir la energía de radiofrecuencia
del transmisor y radiar esta energía en una emisión altamente direccional y giratoria,
así como recibir los ecos o reflexiones de los impulsos emitidos desde los blancos, y
enviarlos al receptor.
Receptor: Su misión es amplificar los débiles ecos recibidos, a fin de que puedan
distinguirse en la pantalla, por encima del ruido de fondo, y pasarlos luego a la
unidad de presentación visual, para ello el receptor está provisto de un amplificador
de frecuencia intermedia FI, necesario para la producción de señales de video,
utilizadas en la U.P.V.
Unidad de presentación: Produce la indicación visual de los pulsos de eco, en
forma tal que proporciona la información deseada con una presentación visual de las
demarcaciones y distancias de los ecos que recibe del Radar. Costa de un tubo de
rayos catódicos, con sus accesorios como el flip-flop, la base de tiempo, el indicador
de proa y el amplificador de video.
34 Alba Alonso Frey
2.5. Evolución histórica del sistema RADAR-ARPA
El sistema ARPA es una herramienta que se encuentra totalmente integrada en la
vida diaria del puente de navegación de prácticamente cualquier buque. Este sistema,
integrado en el RADAR, nos realiza de forma automática el seguimiento de un eco
preseleccionado, manteniéndonos informados de sus rumbos verdadero y relativo,
velocidades verdaderas y relativas, situación en la pantalla, demora, y, en definitiva,
cualquier información cinemática de dicho objetivo y cualquier información que nos
pueda ser de utilidad.
El RADAR da el terreno de juego al ARPA, siendo éste el encargado de traducirnos
en una pantalla la información recibida por la antena de ondas electromagnéticas. La
antena RADAR emitirá ondas electromagnéticas que, al encontrarse con un
obstáculo en el que puedan reflejarse, devolverán dicha onda y ésta llegará a la
antena RADAR receptora. Ese reflejo de la onda electromagnética, que no es más
que una interferencia de la señal emitida, llegará a un equipo traductor, que se
encargará de mostrarnos la señal tal como nosotros la vemos en nuestra pantalla
RADAR.
Figura 2.2: Representación de una pantalla actual de un sistema RADARARPA.
Fuente: Maritraining.
35 Alba Alonso Frey
2.5.1 Marco normativo del sistema RADAR-ARPA
El sistema ARPA aparece como obligatorio para buques a partir de 10,000 GT en la
regla 19, 2.8.1, del capítulo V del SOLAS. Concretamente entró en vigor el 5 de
diciembre del año 2000, mediante una enmienda al texto de 1974, que prácticamente
modificó el capítulo V entero y en el que se incluyó, entre otras cosas, este apartado
2.8.1. en el que se referencia al ARPA.
En el SOLAS además podemos encontrar varios anexos. En concreto el Anexo 16,
llamado Equipamiento Radar, habla sobre las características mínimas que debe tener
el ARPA a usar: Los equipos ARPA deben de ser capaces de adquirir objetivos de
forma manual o automática y debe ser capaz de llevar a cabo el seguimiento
automático y mostrar la información de al menos 20 objetivos para la toma de
decisiones anticolisión. También deberán contar con la opción de maniobra de
pruebas (IMO).
El Reglamento Internacional Para Prevenir los Abordajes en la mar (RIPPA en sus
siglas) hace referencia al ARPA en varias de sus reglas, si bien no nombrándolo
directamente ya que es un reglamento general para buques, y recordamos que el
sistema tratado solo es obligatorio para buques de 10,000 GT o más.
• Regla 5: Vigilancia. Aquí se incluiría el ARPA como medio para la evaluación de
la situación y del riesgo de abordaje.
• Regla 6: Velocidad de seguridad. Aquí existe un apartado (el b) exclusivo para
buques con un RADAR funcionando correctamente. En las características del mismo
habría que incluir el sistema ARPA si el buque estuviera obligado a llevarlo.
• Regla 7: Riesgo de abordaje. En esta norma se insta a los buques a utilizar todos los
medios a bordo para determinar si existe o no existe riesgo de abordaje. Como
ocurría en la regla 5, habrá que incluir el equipo ARPA si el buque tiene la
obligatoriedad de llevarlo.
• Regla 19: Conducta de los buques en condiciones de visibilidad reducida. La norma
dicta que se usará el RADAR para determinar si existe una situación de
aproximación excesiva o de riesgo de abordaje. Habrá que incluir el uso del ARPA si
el buque está obligado a llevarlo
36 Alba Alonso Frey
El Convenio sobre normas de formación, titulación, y guardia para la gente del mar
(STCW por sus siglas en inglés) contiene las directrices y los requisitos a seguir para
la formación de los usuarios del equipo ARPA, siendo éste curso obligatorio para
todos los oficiales de marina mercante de buques que tengan la obligatoriedad de
llevar dicho equipo (IMO). Aunque hoy día es recomendable para todos los oficiales
de buque, ya que el sistema ARPA está instalado en la mayoría de los buques por su
utilidad y por el hecho de que el equipo RADAR hoy día casi siempre se vende como
equipo RADAR-ARPA.
La IMO2 tiene una serie de recomendaciones para la guardia en la navegación, y en
ellas aparece el RADAR de la misma forma que ocurría en el RIPPA.
• Sección I.
◦ Disposiciones para la guardia (4). Aquí se comenta que habrá que tener en cuenta
en la
2 International Maritime Organization (Organización Marítima Internacional en
español). toma de decisiones los equipos y ayudas a la navegación, incluyendo el
RADAR, que será ARPA obligatoriamente si es de 10,000GT o más.
◦ Navegación (8). Se insta a comprobar la situación del buque usando los equipos
disponibles a bordo.
• Sección II.
◦ Ayudas electrónicas a la navegación (13). Cuando se habla de que el oficial deberá
estar perfectamente familiarizado con los equipos que hay en el barco, debemos
incluir el
RADAR, y el sistema ARPA si el buque lo lleva.
◦ Radar (16-20). Se habla del uso del radar, en qué condiciones y con qué fines, y
teniendo en cuenta sus capacidades y limitaciones. Aquí podría incluirse el ARPA si
el buque lo llevara.
(De Simón 2008, 122-9).
37 Alba Alonso Frey
Por último, la asamblea de la IMO, a lo largo de los años ha sacado una serie de
resoluciones que hacen referencia directa al ARPA, y que establecen preceptos en lo
que respecta a su uso, sus características, o el aprendizaje que deben recibir los
usuarios, entre otros.
• Resolución A.422 (XI). Estándares de actuación del ARPA.
• Resolución A.482 (XII). Entrenamiento en el uso del ARPA.
• Resolución A.813 (19). Requisitos generales de compatibilidad electromagnética
para todos los equipos electrónicos y eléctricos del buque.
38 Alba Alonso Frey
CAPÍTULO III:
RADAR FMCW
39 Alba Alonso Frey
3.1. Radar de onda continua y frecuencia modulada.
En un sistema radar, la detección y el cálculo de la distancia a un objetivo se realiza
mediante la transmisión de energía electromagnética y observando la señal del eco
reflejada por el objeto. Un sistema radar utiliza señales pulsadas u ondas continuas.
Cómo expliqué en el capítulo anterior, en los radares pulsados el transmisor emite
una ráfaga corta de energía electromagnética y el receptor del sistema escucha la
señal del eco después de transmitir la señal. A partir de la señal de eco recibido se
puede conocer la situación de un objetivo, ya que mediante la diferencia de tiempo
entre la señal transmitida y la recepción de la señal del eco, podemos obtener
fácilmente la distancia.
Sin embargo, en el caso de un radar de onda continua (CW), el transmisor está
enviando continuamente una señal, por lo que la obtención de información mediante
la diferencia entre la señal transmitida y la señal recibida no es posible, ya que no
hay ráfagas de señales transmitidas y recibidas.
Para poder obtener información de la distancia a un blanco en los radares de onda
continua es necesaria una técnica factible, es decir, una marca de tiempo, para
separar la señal recibida de la señal transmitida y poder calcular la diferencia de
tiempo entre ellos.
Esto no quiere decir que un sistema radar sea mejor que otro pues, en algunas
aplicaciones, los radares pulsados tienen más ventajas sobre los radares de CW y en
otras aplicaciones los de onda continua presentan mejores ventajas que los pulsados.
Dentro de este grupo de radares CW se pueden diferenciar dos opciones según:
No modulados: en algunas aplicaciones de medida de velocidad, esta puede
obtenerse mediante la observación del desplazamiento Doppler de las señales
reflejadas por blancos móviles. La emisión de una portadora no modulada es
suficiente en este caso, simplificando así el diseño del radar. Sin embargo, al no
existir referencias temporales en la señal no es posible determinar la distancia de los
blancos.
40 Alba Alonso Frey
Modulados: en aquellas aplicaciones que requieren estimar tanto la velocidad como
la distancia del blanco es preciso introducir una modulación en la señal radiada. En
un sistema CW la amplitud de la señal es constante y la modulación habitualmente
utilizada es una de frecuencia lineal. Ambos radares, tanto los de onda continua
modulados y los no modulados tienen numerosas áreas de aplicación
3.2. Historia del radar FMCW.
La idea de usar señales de frecuencia modulada para reflectar en un blanco (objetivo)
es de todo menos nueva, pues ya por la década de 1920 estas señales fueron
utilizadas para la investigación de la Ionosfera. La aplicación práctica del radar de
onda continua y frecuencia modulada (FMCW) comenzó en 1928, cuando J.O
Bentley archivó la patente estadounidense en un “Sistema de indicación de altitud de
un avión”.
El radar de Bentley era muy simple (figura 4.1). La frecuencia del transmisor se
modula mediante una modulación triangular de la onda (figura 4.2), utilizando un
motor eléctrico que gira con un condensador ajustable.
La energía transmitida es irradiada hacia la superficie. El aislamiento existente entre
la antena de transmisión y la antena receptora es limitado por lo que una pequeña
fracción de la energía transmitida (la señal directa) entra en la antena receptora
junto con la señal reflejada desde la superficie. El circuito de entrada del receptor se
sintoniza para que coincida, en cualquier momento, con la frecuencia del transmisor.
Figura 3.1. Diagrama de bloque del radio altímetro de Bentley. Fuente:
“Fundamentals of short-range FM radar”.
41 Alba Alonso Frey
Figura 3.2. Frecuencia instantánea de las señales emitidas y recibidas. Fuente:
“Fundamentals of short-range FM radar”.
Como se puede observar en la figura 4.2, la frecuencia de la señal reflejada difiere
ligeramente de la de la transmisión, siendo retrasada por un tiempo r que es
constante, excepto para intervalos cortos.
Las aplicaciones industriales de esta idea comenzaron a finales de la década de 1930,
cuando la banda de ultra alta frecuencia comenzó a explotarse. La agilidad mecánica
del transmisor posibilitó el desvío de frecuencia necesario (De -20 a 30 MHz). El
procesamiento de la señal tras pasar el mezclador se realizó en una banda de muy
baja frecuencia. Antes de la segunda Guerra mundial, primeramente aviones
militares y posteriormente aeronaves civiles, empezaron a aplicar Radio-altímetros
de FMCW (Onda continua y frecuencia modulada). La razón básica de esta amplia
aplicación fue que el radar ilustrado era muy simple y por lo tanto confiable.
En la actualidad, un radio-altímetro de baja altitud de FMCW es un elemento
imprescindible dentro de los equipos de la mayoría de aeronaves militares y civiles, y
también para las operaciones de aterrizaje de los vehículos espaciales.
.La mayor parte de los trabajos teóricos sobre el radar de onda continua y frecuencia
modulada (FMCW) se publicaron durante el periodo de los años 40 a los años 60. Y
42 Alba Alonso Frey
es que además de la radio altimetría, los radares FMCW se desarrollaron para
muchas áreas de la industria civil, como por ejemplo la marina mercante.
Por otro lado, la teoría y la ingeniería del radar de pulso comenzaron a desarrollarse
poco después de finales de los años treinta. A partir de ese momento la mayor parte
del desarrollo posterior de la ingeniería radar fue enfocado al radar de pulso, que
cumplía con la mayoría de los requisitos de la ingeniería militar y civil así como
aplicaciones industriales.
El radar de FMCW, se encontró pues, a la sombra del radar de pulso. Fue en gran
parte olvidado, y sólo se recurría a él cuando se necesitaba medir rangos muy
pequeños, de fracciones de un metro a algunos metros.
Ejemplos primarios de su uso en el campo militar son los fusibles de proximidad
para proyectiles de artillería, misiles y para sistemas de detección de blancos
móviles. Los principales avances han sido respaldados gracias al desarrollo de la
tecnología basada en longitudes de onda de centímetro y milímetro y la
microelectrónica.
En la industria civil, por su parte, se ha desarrollado y aplicado a gran escala para
medir niveles de líquidos, pastas o productos parecidos a polvos en tanques cerrados.
A este equipo se le denomina “Radar de medición de nivel”.
3.3. Ventajas y aplicaciones del radar FMCW.
El uso del radar de FMCW está presente en numerosos campos tanto civil como
militar, Pero antes de hablar de ellos es necesario presentar las ventajas que hacen de
esta tecnología una forma atractiva de resolver problemas de detección y
localización:
Capacidad para medir con alta precisión rangos muy pequeños al objetivo,
siendo el rango mínimo medido comparable a la longitud de onda
transmitida.
43 Alba Alonso Frey
Capacidad para medir simultáneamente la distancia al objetivo y la velocidad
relativa del mismo con respecto al sistema radar.
Pequeño error de medida de alcance, que con algunos métodos de
procesamiento está dentro de centésimas de un por ciento.
El procesamiento de la señal después de la mezcla se realiza en un rango de
frecuencias, conmensurable con la frecuencia de modulación, es decir, en una
banda de frecuencias de cientos de hercios hasta cientos de kilohercios, esto
simplifica considerablemente la realización de los circuitos de procesamiento.
Mayor seguridad debido a la ausencia de radiación de pulso.
La modulación de estos radares es compatible con transmisores de estado
sólido, y además representa un mejor uso de la potencia de salida disponible
en estos dispositivos.
Compacidad, las dimensiones de un radar usando tecnología moderna están
determinadas por las dimensiones del bloque de microondas.
Pequeño peso y bajo consumo de energía debido a la ausencia de altas
tensiones en el circuito.
Buen funcionamiento para diferentes tipos de clima y condiciones
atmosféricas como lluvia, nieve, humedad, niebla y condiciones de polvo.
Puede detectar gran variedad de materias no metálicos, como madera,
hormigón, ladrillos, polímeros, etc. Por lo que hace que el radar FMCW se
adecuado para detectar objetivos a través de ellos.
Sus reducidas dimensiones, su simplicidad y la economía de los sistemas del
radar FMCW fueron las razones básicas de su amplia aplicación en muchas
áreas como la aviación, militar, la seguridad, la navegación, la automoción,
etc.
44 Alba Alonso Frey
3.4. Aplicaciones donde se utiliza el radar FMCW
Radio altímetro
El altímetro de radar es una de las primeras aplicaciones del radar FMCW que mide
la altitud sobre el terreno y se utiliza para aviones o naves espaciales. Proporciona la
distancia entre el plano y el suelo. Este tipo se utiliza especialmente para aterrizar en
condiciones de baja visibilidad. También es muy crítico en los vuelos de baja altitud
y se utiliza como sistema de evitación del terreno.
Fusible de proximidad
Un fusible de proximidad está diseñado para detonar un explosivo automáticamente
cuando la distancia a la blanco llega a ser menor que un valor predeterminado. El
fusible de proximidad fue inventado en el Reino Unido pero desarrollado
principalmente por los EE.UU. (con la colaboración británica) durante la Segunda
Guerra Mundial.
Radar medidor de nivel
Los radares de medición de nivel se utilizan con mayor frecuencia en tanques de
líquidos. El funcionamiento es muy simple: La antena del transceptor se coloca en la
tapa del tanque. El ancho del haz de la antena no es muy grande y apunta
verticalmente hacia la superficie del líquido. Mide el intervalo R desde arriba hasta el
nivel de líquido. Como la distancia H desde la antena hasta el fondo del tanque es
conocida, el nivel es del depósito se determina mediante una simple resta: L = H-R.
45 Alba Alonso Frey
Figura 3.3. Radar medidor de nivel. Fuente: “Fundamentals of short-range FM
radar”.
Radares de navegación
El radar de FMCW puede aplicarse a radares de navegación con rangos de hasta
varios kilómetros. Esto no quiere decir que el rango de operación del radar FMCW
esté intrínsecamente limitado a varios kilómetros, ya que rangos más grandes son
totalmente viables, lo que actualmente los radares de pulso son los utilizados para
tales fines.
Por ello el radar FMCW en la navegación ha tenido una mayor utilidad a intervalos
cortos, desde decenas hasta cientos de metros (por ejemplo para la vigilancia del
tráfico marítimo, vigilancia del tráfico en los puertos para condiciones de baja
visibilidad). Y es que puede utilizarse no solo para buscar en la superficie del agua
del puerto sino para medir el alcance y la velocidad relativa de objetivos dentro del
mismo. Además, la capacidad de medir rangos muy cortos (fracciones de un metro)
lo hacen perfecto para su uso en maniobras de atraque y las maniobras dentro del
puerto. Debido a su reducido tamaño, simplicidad y economía se puede colocar un
radar FMCW en proa y popa para medir la distancia en este tipo de situaciones,
46 Alba Alonso Frey
convirtiéndose en una herramienta muy valiosa para la seguridad del buque en una de
las operaciones más críticas como es el atraque.
Aunque como bien dije, el uso del radar de pulso en la marina mercante es de uso
generalizado y hasta ahora ha acaparado el mercado, pero eso puede estar
cambiando. Ya que fabricantes de radares están apostando por la tecnología FMCW
para sustituir a los radares de pulso a bordo. Actualmente está siendo enormemente
aceptado por la marina de recreo y pronto comenzaran a verse en los grandes buques
mercantes.
Radar anti-colisión para vehículos
Se han desarrollado sistemas de alerta de colisión de vehículos en respuesta al
considerable crecimiento del tráfico en las ciudades. Este sistema por lo general
incluye cuatro radares ubicados en la parte delantera, la cola y en los retrovisores. El
radar frontal es crítico, proporciona rango continuo y velocidad relativa para los
objetivos y si es necesario, se genera una señal de peligro que puede activar el
sistema de frenos.
Figura 3.4. Zonas de cobertura del sistema de aviso de colisión de vehículos.
Fuente: “Fundamentals of short-range FM radar”.
Medición de movimientos muy pequeños.
Una situación típica donde el rada FMCW hace una función importante es en la
observación de vibraciones de varios componentes de máquinas y mecanismos.
47 Alba Alonso Frey
Además estás mediciones están expuestas, probablemente a altas temperaturas. Por
lo que el radar FMCW es capaz de medir movimientos muy pequeños operando en
ambientes y temperaturas agresivas.
Monitorización para objetivos fijos.
El radar FMCW, como ya he dicho está dotado de un buen comportamiento en malas
condiciones de intemperie y visibilidad. Esta característica lo convierte en la
herramienta perfecta para funciones de vigilancia a la hora de detectar avalanchas y
glaciares en la nieve, mediante la instalación de grandes reflectores RCS en la
superficie del glaciar o avalancha. Por lo tanto, un radar de FMCW instalado en la
cima de una montaña cercana está midiendo automáticamente los cambios de
movimiento de los glaciares y posibles avalanchas.
La lista de áreas de aplicación de esta tecnología radar puede seguir aumentando, sin
embargo, las aplicaciones citadas son suficientes para mostrar que los radares de
onda-continua y frecuencia-modulada tienen un uso extensivo. Pensando en las
ventajas y aplicaciones mencionadas, no es sorprendente que la medición de
diferentes parámetros de un objetivo utilizando los sistemas radar de FMCW haya
sido un área de investigación activa en las últimas décadas.
3.5. Funcionamiento Radar FMCW
3.5.1. Modulación lineal de la frecuencia
A diferencia de los sistemas CW tradicionales, los radares FMCW pueden variar su
frecuencia de trabajo durante la medida, es decir, la señal transmitida por este tipo de
radar se encuentra modulada en frecuencia. Dicha modulación de la frecuencia
proporciona la capacidad para medir distancias ya que la modulación proporciona
una referencia temporal.
Si además la frecuencia de modulación es lineal, también conocida como Chirp, el
proceso de análisis de las señales de eco se simplifica considerablemente.
Comúnmente, en los sistemas rada FMCW se utilizan dos tipos de modulación,
diente de sierra y modulación triangular
48 Alba Alonso Frey
Diente de sierra:
Puede ser tanto ascendente en tiempo (up-chirp) como descendente (down-chirp). En
la figura nº y nº se puede observar la evolución temporal de la frecuencia instantánea
y la forma de onda.
Figura 3.5. Modulación lineal diente de sierra (up-chirp) Fuente:”Diseño y
validación de un radar CW-FM a 94 GHz”.
Figura 3.6. Modulación lineal diente de sierra (down-chirp). Fuente:”Diseño y
validación de un radar CW-FM a 94 GHz”.
Triangular:
Puede entenderse como una combinación de las dos anteriores.
49 Alba Alonso Frey
Figura 3.7. Modulación lineal triangular. Fuente:”Diseño y validación de un radar
CW-FM a 94 GHz”.
Para evitar la digitalización de señales de eco a frecuencias de microondas, en los
radares CW-FM es habitual utilizar una cadena receptora con configuración
homodina (figura4.8). En este caso la señal de eco se mezcla con una muestra de la
señal transmitida. A la salida del mezclador se obtiene, tras un filtro de paso bajo,
una señal de barrido cuya frecuencia es la diferencia entre la frecuencia instantánea
de emisión y recepción. De esta forma, la frecuencia de batido es proporcional a la
distancia del objeto observado.
Figura 3.8. Configuración homodina de un radar FMCW. Fuente:.”Diseño y
validación de un radar CW-FM a 94 GHz”.
50 Alba Alonso Frey
.3.5.2. Desarrollo teórico del funcionamiento de un radar FM-CW lineal
El funcionamiento general de un radar FM-CW es el siguiente: se transmite una señal
que va cambiando periódicamente en frecuencia y se reciben los ecos que,
correctamente tratados, nos proporcionarán información sobre la escena iluminada.
Si además, esta señal está modulada linealmente en frecuencia, la frecuencia
instantánea fi se incrementa con pendiente k a lo largo de un periodo de tiempo que
llamaremos a partir de ahora Tchirp. Dicha Tchirp será igual al periodo de la señal
transmitida τ en el caso de modulaciones sawtooth y τ/2 para modulaciones
triangulares.
Con objeto de utilizar una formulación compacta se hará uso de la notación
equivalente paso bajo de las señales.
(1)
(2)
(3)
(4)
Si se ha enfocado en la dirección adecuada, es decir, si algún objeto (target) ha sido
iluminado con la señal chirp emitida por el radar, en el receptor se recogerá una
reproducción de la señal transmitida pero de menor potencia y retardada
temporalmente.
Este retardo respecto a la señal transmitida, es equivalente a dos veces la distancia al
objeto iluminado en el caso de un radar mono estático (véase la expresión 1) o a la
siguiente expresión en el caso de radares biestáticos.
51 Alba Alonso Frey
(5)
Siendo R la distancia al objetivo desde cada una de las antenas y c la velocidad de la
luz. La expresión que define la señal recibida seria pues:
(6)
Siendo α < 1 , una amplitud que modela las pérdidas de propagación en espacio libre:
(7)
(8)
Por tanto, la señal recibida en la antena receptora será de:
(9)
Cuando se recibe un ECO, éste es filtrado, amplificado y batido a un mezclador junto
a la señal trasmitida (señal de referencia), por lo que el mezclador no es más que un
bloque que realiza las funciones de un filtro adaptado cuya expresión se muestra en
la ecuación 2.
52 Alba Alonso Frey
Figura 3.9. Diagrama de bloque de un radar FMCW. Fuente: “Detección de
movimiento mediante técnicas radar CW-FM en banda W”.
(10)
La salida de este bloque proporciona una señal generada gracias a la diferencia
frecuencial entre ambas tal como podemos apreciar en la ecuación 6.
Figura 3.10. Señal de batido a la salida del Mixer (Mezclador). Fuente: “Detección
de movimiento mediante técnicas radar CW-FM en banda W”.
53 Alba Alonso Frey
La información referente a la diferencia de frecuencia se encuentra en el término
2πkTt (también conocido como beating tone). Por otro lado, el primer término de
fase que aparece en la expresión 2.10, πkT2 , hace referencia a un término constante
de fase llamado Residual Video Phase (RVP) mientras que el segundo término, ω0
T, hace referencia a la fase lineal causada por el retardo del eco , normalmente
expresada como muestra la ecuación 11:
(11)
El término correspondiente al RVP puede despreciarse siempre y cuando sea muy
inferior a la fase en el objetivo:
(12)
En cuyo caso, la ecuación correspondiente a la señal de batido puede expresarse
como:
(13)
Siendo:
(14)
(15)
(16)
54 Alba Alonso Frey
Debido a que la información reside en la fase de la señal de batido, resulta más
sencillo trabajar con la respuesta frecuencial de la expresión anterior. De esta manera
el filtro adaptado al eco recibido puede implementarse mediante la DFT (Discrete
Fourier Transform) aunque por eficiencia se implementa mediante una FFT (Fast
Fourier Transform)
(17)
Si se representa dicha respuesta, se observa un tono del cual se pueden extraer dos
parámetros relevantes: la frecuencia de batido fb y el ancho espectral Δfb .
Figura 3.11. Respuesta frecuencial Sb (f) para un único blanco. Fuente: “Detección
de movimiento mediante técnicas radar CW-FM en banda W”.
La frecuencia de batido permite extraer la información sobre a qué distancia se
encuentra un objetivo estático iluminado por la señal chirp según la expresión:
(18)
Siendo Δf el barrido frecuencial o ancho de banda de la señal chirp. Dado que cada
eco recibido en el receptor tendrá su propio tono frecuencial, será fácil determinar a
qué distancia se encuentran cada uno de los blancos iluminados por el radar mediante
la siguiente expresión.
55 Alba Alonso Frey
(19)
(20)
(21)
Figura 3.12. Respuesta de un radar FMCW con modulación triangular a un blanco
estático. Fuente: “Detección de movimiento mediante técnicas radar CW-FM en
banda W”.
El segundo parámetro es el ancho espectral Δfb . Este parámetro delimita la
resolución frecuencial, o dicho de otro modo, cuantifica la capacidad del radar de
distinguir entre dos objetos muy próximos entre ellos de potencia similar. Si dos o
más objetos muy próximos en cuanto a lo que distancia al radar se refiere son
iluminados por la señal chirp, la señal a la salida del mezclador estará compuesta por
varios tonos muy próximos. Éste parámetro Δfb es el que delimita si los lóbulos
estarán superpuestos en frecuencia o si por el contrario veremos un lóbulo diferente
para cada tono. Por tanto es posible delimitar la resolución en la dirección de
56 Alba Alonso Frey
propagación de la energía (también conocida como range [1]) ΔRg del radar
mediante la expresión:
(22)
Analizando la expresión anterior, podemos observar que, además de Δfb , los otros
parámetros que afectan directamente a la resolución en range son el periodo de la
señal chirp y Δf , que son limitaciones de construcción del radar. Dicho de otro
modo, cuanto mayor sea Δf mejor resolución en range.
Si el objeto que se quiere localizar, además, se desplaza a una velocidad v, la señal
de eco recibida presentará además un desplazamiento frecuencial debido al efecto
Doppler(5) , dependiendo de si el objeto se aleja o se acerca al radar. Dicha
variación, llamada en adelante fd, es directamente proporcional a la velocidad radial
del objeto, provocando variaciones como las que se pueden apreciar en la expresión
9.
57 Alba Alonso Frey
Figura 3.13. Respuesta de un radar FMCW frente a blancos no estáticos. Fuente:
“Detección de movimiento mediante técnicas radar CW-FM en banda W”.
Por tanto, para poder calcular tanto la distancia como la velocidad de un objeto en
movimiento será necesario conocer los parámetros fb + y fb-:
(23)
(24)
De este modo, substituyendo en la ecuación para blancos estáticos, la distancia al
objeto se podrá calcular como:
(25)
Y la velocidad:
(26)
58 Alba Alonso Frey
3.6. Componentes de un radar FMCW
Desde una perspectiva de sistema los radares FMCW están compuestos de cuatro
partes importantes. La primera etapa es la encargada de generar el Chirp o señal
modulada en frecuencia, la técnica más común de modulación para este sistema es la
modulación lineal de frecuencia (LMF). La segunda etapa llamada RF Front End
permite transmitir y recibir las señales de alta frecuencia del radar. Para la
transmisión los componentes más comunes son un VCO, un LNA, un splitter y una
antena de transmisión. Para la recepción los componentes más comunes son un LNA,
un mezclador y un filtro pasa bajos, de esta forma el resultado de la parte de
recepción del radar es una señal de banda base. La tercera etapa es la adquisión de la
señal de banda base para la cual se utiliza un conversor de señal analógica a digital.
Y finalmente la cuarta etapa es el almacenamiento de la señal recolectada por el
radar.
Figura 3.14. Diagrama de bloque de un radar FMCW. Fuente:: “Diseño e
implementación de un radar de un sistema de radar estático de corto alcance de
onda continua en frecuencia modulada para mediciones de rango y velocidad”.
59 Alba Alonso Frey
3.6.1 Diagrama de bloques del sistema
La figura muestra el diagrama de bloques del sistema de radar FMCW. La mayoría
de los bloques contenidos en el recuadro azul a excepción de la Laptop corresponden
a la unidad de radar y a la unidad de control. La computadora representada por la
Laptop corresponde a la unidad de procesamiento. El recuadro rojo corresponde a la
unidad de alimentación que suministra energía a todo el sistema de radar.
Figura 3.15. Diagrama de bloques del sistema. Fuente: Diseño e implementación de
un radar de un sistema de radar estático de corto alcance de onda continua en
frecuencia modulada para mediciones de rango y velocidad.
El diagrama de bloques está compuesto por la unidad radar, una unidad de control y
una unidad de procesamiento.
La unidad radar contiene los siguientes elementos:
-Un oscilador controlado por voltaje (VCO).
-Dos amplificadores de bajo ruido (LNA).
-Un filtro pasa banda (BPF).
-Un divisor de potencia (Splitter).
60 Alba Alonso Frey
Dos antenas para la transmisión y recepción.
Un mezclador (Mixer).
- Un amplificador de baja frecuencia (A).
Filtro Pasa bajos (LPF).
La unidad de control está compuesta por los siguientes elementos:
Generador de funciones y la tarjeta de audio del ordenador.
Unidad de procesamiento está compuesta por:
El ordenador, dónde se usará un software para realizar el procesamiento de la
señal de banda base obtenida.
Finalmente una unidad de alimentación la cual está compuesta por baterías y un
subsistema para suministrar energía a todos los componentes que lo necesiten.
3.6.2. Componentes de radiofrecuencia
VCO
El componente clave de un sistema radar FMCW es el oscilador controlado por
voltaje (VCO), ya que actúa como una fuente de señal del radar. El VCO es un
oscilador eléctrico cuya frecuencia de oscilación puede ser controlado por un voltaje
de entrada.
Para lograr una buen funcionamiento de un sistema de radar FMCW se necesita que
el chirp sea totalmente lineal en frecuencia, sin embargo el componente que se
encarga de generar este chirp o señal modulada en frecuencia que es el VCO utiliza
un conversor exponencial y es extremadamente sensible a la temperatura por lo cual
su respuesta de frecuencia no será totalmente lineal. Para corregir este problema de
los VCOs se suele diseñar un PLL, el cual involucra componentes adicionales como
por ejemplo un detector de fase, un pre-escalador y un loop filter.
61 Alba Alonso Frey
Amplificador de bajo ruido
Es un tipo especial de amplificador electrónico usado para amplificar señales muy
débiles provenientes, por ejemplo, de una antena receptora. Su propósito principal es
proporcionar una figura de ruido mínima aunque ello conlleve a una disminución
considerable de la ganancia.
En sistemas de recepción es usualmente requerido tener un preamplificador con una
figura de ruido lo más reducido posible, debido a que la primera etapa del circuito
tendrá el efecto dominante sobre la performance de ruido en todo el sistema.
Los parámetros que lo definen son: tensión de operación, corriente de operación,
frecuencia de operación, rango de temperatura de operación.
Mezclador
Un mezclador o mixer es un dispositivo de tres puertos que usa un elemento no lineal
variante en el tiempo para poder lograr la conversión. El símbolo del mixer quiere
decir que la salida es proporcional al producto de dos señales de entrada que consiste
en la suma y diferencia de sus frecuencias. Esto es una idealización de la operación
del mixer, ya que en realidad se produce una gran variedad de productos no deseados
generados por el comportamiento no lineal del transistor que lo compone. La señal
que recibe el mezclador son, una frecuencia relativamente alta del oscilador local
(LO) y una frecuencia en banda base o frecuencia intermedia (IF). Por lo que la señal
de salida del mezclador está dada por el producto de las señales LO e IF.
Divisor de potencia
Un divisor de potencia es una simple red de tres puertos que puede ser usada para
dividir o combinar la potencia, y puede ser implementada en cualquier tipo de línea
de transmisión.
Filtro pasa banda
Un filtro es un dispositivo que deja pasar las señales a una cierta frecuencia o en un
rango de frecuencias, mientras que atenúa el paso de las demás. Además, idealmente,
un filtro no añadirá nuevas componentes de frecuencia, sino que modificará las
amplitudes de las ya existentes.
62 Alba Alonso Frey
Un filtro pasa banda es un circuito de frecuencia selectiva que permite dejar pasar las
frecuencias en una banda especifica, llamada banda de paso, y atenúa las señales que
están fuera de dicha banda. Esta banda de paso se establece entre dos puntos de corte
denominados frecuencia interior (fL) y frecuencia superior (fH).
Figura 3.16. Respuesta en frecuencia de un filtro pasa banda. Fuente: ): Diseño e
implementación de un radar de un sistema de radar estático de corto alcance de
onda continua en frecuencia modulada para mediciones de rango y velocidad.
Por lo tanto, normalmente, un filtro pasa banda estará compuesto por un filtro pasa
alto seguido de un filtro pasa bajos. A continuación se muestra el diagrama de
bloques que constituye un filtro pasa banda.
Figura 3.17. Diagrama de bloques de un filtro pasa banda. Fuente: “Diseño e
implementación de un radar de un sistema de radar estático de corto alcance de
onda continua en frecuencia modulada para mediciones de rango y velocidad”.
63 Alba Alonso Frey
Como se puede observar, la frecuencia a la que sucede la frecuencia de corte en el
filtro pasa bajos es mayor que la frecuencia de corte en el filtro pasa altos. Dicha
frecuencia de corte se determina cuando la amplitud de la señal cae -3dB.Por lo
tanto, la diferencia entre dichas frecuencias de corte superior o inferior determinarán
el ancho de banda del filtro pasa bandas, BW = fH - FL, y será el rango de frecuencia a
la cual la señal pasará idealmente sin atenuación. Además, cabe mencionar que las
regiones superiores a fh e inferiores a fL serán denominadas las bandas de rechazo o
atenuación.
Filtro pasa bajos
Un filtro pasa bajos, idealmente, deja pasar las señales inferiores a su frecuencia de
corte y rechaza las frecuencias superiores de dicha frecuencia de corte, tal como se
muestra en la figura 4.43. En donde fc representa la frecuencia de corte, que es el
punto a partir del cual se permite el paso o rechazo de las señales al ingresar a través
del filtro.
Figura 3.18. Respuesta de un filtro pasa bajos. Fuente: ): Diseño e implementación
de un radar de un sistema de radar estático de corto alcance de onda continua en
frecuencia modulada para mediciones de rango y velocidad.
64 Alba Alonso Frey
CAPÍTULO IV:
RADAR DE
PULSO VS
RADAR FMCW
65 Alba Alonso Frey
4.1. Desarrollo de tecnológico del radar marino
La tecnología radar se ha desarrollado y sofisticado enormemente en los últimos 60
años, y aunque el requisito básico de la marina comercial y la marina militar sigue
siendo el mismo: Medir el alcance de un objetivo y llevar a cabo un seguimiento del
mismo mediante el sistema ARPA. A pesar de este objetivo común del radar en los
campos militar y comercial, las tecnologías usadas por ambos, como ocurre con otros
muchos casos, se han ido distanciando.
La evolución del radar marino ha sido dejada en manos de los proveedores de
equipos, lo cual significa que la inversión en el desarrollo del radar para uso
marítimo has sido en función de las leyes del mercado. Por lo que no es sorpresa que
este haya progresado a un ritmo más lento y en una dirección ligeramente diferente,
en relación a la urgencia de sus homólogos militares y de la aviación civil.
A pesar de ello ha habido notables mejoras, que han contribuido a una mejor imagen
del radar, añadiendo nuevos instrumentos de importante valor para el navegante
como es el sistema RADAR-ARPA. Pero en cuanto a la tecnología radar utilizada,
hoy en día la mayoría de los radares marinos utilizados en los buques mercantes
están, probablemente en el pináculo de su rendimiento cuando se utiliza la detección
convencional “ no coherente”, es decir, los radares de onda pulsada (los radares
tradicionales que utilizan magnetrones de alta potencia para generar pulsos cortos de
energía electromagnética.). Lo que hoy en día es el equivalente al uso de la
tecnología original de 1940.
En los últimos años algunas empresas están desarrollando tecnologías de radar de
banda X con tecnología de estado sólido que usa técnicas de FMCW, como simarad-
northstar-lowrance, otras como kelvin Hughes, o ---- entre otras. Esta nueva
tecnología, que realmente no es nueva, lo que sí es nuevo su uso en la navegación
mercante, presenta numerosas ventajas como una detección de blancos superior a los
radares de pulsos con unos niveles de potencia transmitida muchos más bajos, y una
mejor visibilidad de los blancos en orden de 10 veces mejor en comparación con los
sistemas actuales. Por esto y otras ventajas ha llevado a la OMI a revisar las normas
de desempeño del radar, para fomentar esta tecnología.
66 Alba Alonso Frey
4.2. Cómo funciona la nueva tecnología radar
Tras la lectura de los capítulos anteriores, sabemos que los radares transmiten
microondas que inciden sobre los objetos que encuentran en su trayectoria,
reflejándose en ellos y devolviendo el eco al radar, donde la señal recibida se
procesa, se extrae información de la misma como la distancia y velocidad y se
presenta en la pantalla, de manera que el usuario pueda entenderlo.
Figura 4.1. Diagrama básico radar con las señales de entrada /salida para la
lectura de datos en la pantalla del radar. Fuente: “Electrónica Marina”.
Hasta ahora todos los radares marinos, tanto de la náutica de recreo como de la
marina mercante han utilizado el mismo método para calcular la distancia, el cual,
como explico en el capítulo III, usa impulsos de microondas en vez de una
transmisión continua, midiendo el intervalo de tiempo entre la transmisión del
67 Alba Alonso Frey
impulso y la recepción del mismo tras su reflejo en un objeto. La distancia recorrida
por el impulso y su eco puede calcularse mediante la fórmula: Distancia = velocidad
xTiempo.
Figura 4.2. Esquema del envío y recepción de la señal de un radar de pulso.
Fuente: Elaboración propia.
Sin embargo, la tecnología que está comenzando a abrirse camino en la navegación
comercial utiliza un método diferente para calcular el rango. Los radares de
frecuencia continua modulados en frecuencia utilizan una transmisión continua de
microondas. Como expliqué en el capítulo IV, estos radares están escuchando
continuamente, es decir, no hay periodos de silencio para la recepción del eco. La
frecuencia de la transmisión de microondas va aumentando a una velocidad
constante, en un patrón, que generalmente es de diente de sierra (figura):
68 Alba Alonso Frey
Figura 4.3. Esquema del envío y recepción de la señal de un radar FMCW. Fuente:
Elaboración propia.
Así que aunque no hay un pulso, todavía tenemos un método de tiempo para calcular
el intervalo entre la transmisión de las microondas y la detección de su eco. Una vez
que las ondas han dejado la antena de transmisión, su frecuencia no cambia,
continúan hasta el objeto, se reflejan en él y regresan a la antena receptora del radar.
Para entonces el radar estará transmitiendo en una frecuencia más alta. Es entonces
cuando el radar mira la diferencia entre la frecuencia que está transmitiendo
actualmente y la frecuencia del eco que está recibiendo, y conociendo la velocidad
con la que la frecuencia de transmisión está aumentando, puede calcular el retardo
del tiempo. Es pues, a partir de entonces, el cálculo es exactamente el mismo que
antes:
Tiempo T: Ondas transmitidas con una frecuencia F1 y a una velocidad
correspondiente a la velocidad de la luz (300.000.000 m/s).
69 Alba Alonso Frey
T+6 microsegundos: Las ondas con la frecuencia F1 alcanzan el target 1, y
retorna el eco. Las ondas F1 continúan hacia el blanco 2. El radar está ahora
transmitiendo a mayor frecuencia.
T+24 microsegundos: El segundo eco correspondiente a la frecuencia F1 llega al
receptor. Ahora el radar se encuentra transmitiendo en la frecuencia F3.
Comparando la frecuencia F3 con F1 se calcula el intervalo de tiempo para el
blanco 2.
T+12 microsegundos: El primero eco de la frecuencia F1 llega al receptor. El
eco del blanco 2 retorna al radar. Ahora el radar se encuentra transmitiendo a
una frecuencia F2. Comparando F2 con f1 se clacula el intervalo de tiempo del
blanco 1
70 Alba Alonso Frey
Figura 4.4. Gráfico de la transmisión de la frecuencia radar FMCW. Fuente: “Aztec
Sailing.”
Figura 4.5. Representación pantalla radar FMCW. Fuente: “Aztec Sailing”.
Hay que tener en cuenta que en estos radares, el transmisor y el receptor funcionan
continuamente, requiriendo antenas separadas contenidas en la misma cúpula. Los
radares de pulso, por su parte, cambian de transmitir a recibir, por lo que pueden
utilizar la misma antena para ambas funciones.
71 Alba Alonso Frey
Por otro lado, uno de los aspectos más importantes es la tecnología que se utiliza
para producir las microondas, que es radicalmente diferente, lo cual tiene varias
consecuencias que describiré en el siguiente apartado.
4.3. Diferencias entre el radar de onda pulsada y el radar FMCW
La primera cosa a tener en cuenta antes de profundizar acerca de las diferencias entre
ambos radares es que la mayor parte del sistema radar, y casi todo lo relacionado con
el uso del mismo, no presenta cambios en la nueva tecnología. Es decir, la imagen
sigue siendo la misma, todos los datos técnicos sobre el ancho del haz, los lóbulos
laterales, los ecos múltiples etc. son iguales. Y la funcionalidad del radar a partir de
la integración con otros instrumentos como GPS, AIS y demás sigue siendo la
misma.
La principal diferencia de hardware entre los dos tipos de radar es que en los de
pulso se utilizan magnetrones para generar la energía que irradian, mientras que los
FMCW usan amplificadores de estado sólido, de ahí que algunos se refieran a ellos
como radares de estado sólido.
Las áreas que marcan las principales diferencias entre ambos radares son:
Tiempo de calentamiento y ajuste.
El dispositivo que genera los impulsos de microondas se llama magnetrón, y una de
las características del magnetrón es que necesita tiempo para calentar, y otra es que
su frecuencia de transmisión varía un poco. Para el uso abordo, el periodo de
calentamiento significa que cuando se enciende el radar hay que esperar un par de
minutos antes de usarlo. Es por ello que estos sistemas radar suelen tener un bajo
consumo de energía “standby mode”, para que pueda obtener la imagen
inmediatamente seleccionando “transmit” cuando se necesite.
La variación de la frecuencia significa que el receptor tiene que ser afinado a la
frecuencia de transmisión, y hay un control de afinación para hacer eso (Tunning
control). Aunque esto no es un verdadero inconveniente, porque en los radares
actuales está función se puede realizar automáticamente.
72 Alba Alonso Frey
Por el contrario en los el radar FMCW al utilizar transmisores de estado sólido, estos
no requieren de un tiempo de calentamiento y la frecuencia de transmisión es estable,
por lo que los sistemas están disponibles de manera inmediata tras su encendido, y
no requieren de ninguna función de sintonización.
Discriminación de rangos y detección de blancos
Una diferencia menos obvia entre los dos tipos de radar es el ancho de banda que
requiere el receptor. Un radar de pulso requiere de un ancho de banda inversamente
proporcional al ancho del pulso, es decir, requiere de un ancho de banda más amplio
en distancias cortas y al contrario para distancias más grandes.
Por su parte el radar FMCW tiene requisitos opuestos, pues cuanto más corto sea el
alcance menor será la diferencia entre las frecuencias transmitida y recibida y menor
será el ancho de banda.
Las posibilidades de detectar un objetivo dependen de la cantidad de energía con la
que se pueda iluminar un blanco y no la potencia máxima. En el pasado, los
fabricantes de radar vendían sus productos basándose en la potencia de su transmisor,
de manera que los de 4kW eran mejor que los de 2Kwy los de 12 kW era, por
supuesto, mejor que ambos. En física, la unidad de energía es el Joule y un Joule es 1
W/s, al hacer comparaciones entre los radares de pulso y los FMCW, en este caso,
vamos a pensar en términos de energía (Julios) y no potencia (Watios).
El radar convencional de 4kW usa normalmente un pulso de 100ns en distancias
cortas con una PRF (frecuencia de repetición de pulso) de aproximadamente 3 kHz,
multiplicando se establece que irradia 1.2J de energía por segundo.
Un radar de 2w FMCW normalmente tiene un periodo de variación de frecuencia de
aproximadamente 1ms, lo que corresponde a un ancho de pulso de 1ms y tiene un
PRF de 1kHz. Esto quiere decir que transmite e irradia 2J de energía por segundo
todo el tiempo.
En distancias más largas, el radar de pulso puede configurar un PRF de 1kHz que
proporciona 4kJ. Por su parte el radar FMCW siempre irradia la misma energía
independientemente de la escala seleccionada.
73 Alba Alonso Frey
- Alcances cortos
Podemos decir que este es el beneficio más importante de la tecnología FMCW.
La discriminación del alcance del radar de onda pulsada depende de la longitud del
impulso, mientras que para el radar FMCW no existe límite teórico en cuanto al
mínimo alcance. Esto significa que los radares FMCW proporcionan imágenes
mucho más nítidas en rango que la imagen equivalente al radar de onda pulsada,
particularmente a corto alcance. Además los radares de pulso tienen un rango
mínimo sustancial por debajo del cual no pueden detectar nada (entre 40 y 50
metros) pues si el blanco está a esa distancia, cuando el eco llega al radar esté aun se
encuentra transmitiendo. En cambio el radar FMCW puede detectar objetivos a una
distancia muy corta del barco, ya que no al tener una antena para transmitir y otra
para recibir no tiene el problema de los radares convencionales.
Figura 4.6. Comparativa discriminación de blancos. Fuente: Simrad..
Otro factor que es importante destacar es que, a corto alcance, el radar FMCW es
capaz de transmitir más energía para iluminar los blancos, y necesita menos ancho de
banda del receptor, que el radar de pulso. Esto significa que la detección de objetivos
es inherentemente mejor con FMCW a corto alcance. Así que las imágenes obtenidas
a corto alcance son mejores en los FMCW.
74 Alba Alonso Frey
En cuanto a la discriminación de la demora, el FMCW no destaca sobre su
adversario, pues el ancho del haz tiene la misma relación con el tamaño de la antena
en ambos tipos de radares.
- Grandes distancias
A mayor distancia, el radar FMCW sigue discriminando el rango con extraordinaria
precisión en comparación con el radar de onda pulsada (especialmente cuando estos
están usando pulsos más largos para llegar a distancias más grandes).
Sin embargo, la diferencia no es tan clara en la pantalla cuando se están detectando
blancos a grandes distancias. En cualquier caso, una discriminación del rango con un
precisión de pocos metros no es tan necesaria cuando el blanco esta a varias millas
del radar, o se está moviendo.
En términos de potencia, el radar de onda pulsada tienen una potencia de transmisión
muy alta (generalmente entra 2 o 4 kW en embarcaciones pequeñas) La cual se
utiliza durante un periodo muy corto de tiempo: La duración del pulso. El radar
FMCW por su parte, transmite continuamente a una potencia mucho menor
(alrededor de 1 o 2 W, aproximadamente mil veces menos).
En distancias cortas el radar FMCW presenta mejores prestaciones que el radar
convencional, pues puede transmitir más energía para iluminar los blancos cercanos.
El radar convencional de onda pulsada tiene que usar pulsos pequeños para una
buena discriminación del rango, claro que pulsos más cortos se traduce menos
energía por pulso. Pero a grandes distancias, el radar de pulso puede usar pulsos más
largos (aunque menos de ellos por segundo) con una potencia de transmisión muy
alta, por lo que dispone de más energía para iluminar los objetivos.
Además de la energía transmitida hay otros factores (ancho de banda del receptor,
ruido, pureza de la atmosfera) que también perjudican al radar FMCW para las
detecciones a distancias más largas.
Se debe tener en cuenta, que hasta que no se usen está nueva tecnología A pesar de
que la nueva tecnología aún no se ha generalizado en los buques mercantes y no se
puede saber a ciencia cierta lo bien que funcionan en relación con la tecnología
75 Alba Alonso Frey
antigua, si es verdad que para la detección de objetivos a grandes distancia el radar
de pulso tienen unas ventajas inherentes.
Perturbación del mar (Clutter)
El término Clutter hace referencia a todos aquellos ecos recibidos por el radar que
son, por definición, no deseados. Pueden ser causados por objetos del entorno, tales
como: el mar, las precipitaciones (lluvia nieve o granizo, animales (especialmente
pájaros).
A una distancia cercana al radar es donde el problema del clutter se incrementa,
pues el mar está en un ángulo más vertical. Como expliqué anteriormente el radar
FMCW es particularmente bueno para detectar pequeños blancos a distancias cortas,
por lo que la perturbación del mar tenderá a mostrarse como una mancha de
pequeños ecos. Mientas que con el radar convencional de onda pulsada, para la
misma situación, es probable que se muestre como una mancha más extensa de ecos.
Es por ello que con el radar FMCW, será más fácil detectar un objetivo más grande,
o más fuerte entre la perturbación del mar. Y es que se verá bien diferenciado en
comparación con los ecos procedentes del mar, cosa que no ocurre con el radar de
pulso.
En el radar de pulso para vencer este inconveniente se reduce la ganancia del
receptor para suprimir los ecos que retornan de la superficie del mar. Claro que esto
supone un riesgo pues puede suprimir objetivos o blancos reales.
Las características de transmisión.
El radar de onda pulsada tiene una potencia de transmisión de pico muy alta, y esto
puede ser peligroso. Por el contrario el radar FMCW transmite a una potencia mucho
más baja (más parecida a los teléfonos móviles) y lo hace de manera continua. Es por
ello que estos radares pueden utilizarse con seguridad cerca del personal.
Es interesante mencionar que hay mucho menos diferencia entre las respectivas
potencias de transmisión media, pues el radar de pulso sólo transmite durante un
corto periodo de tiempo (durante los impulsos).
76 Alba Alonso Frey
4.3.1. Otros factores
Interferencias
Los radares FMCW pueden sufrir interferencias de fuertes transmisores de
microondas como por ejemplo del mismo radar de pulso. Y además pueden
producirse reflexiones de la misma superestructura del barco. Estos inconvenientes
han sido poco a poco subsanados por los fabricantes., pues actualmente disponen de
sintonizadores que automáticamente anulan las interferencias que puedan surgir de
otros radares que operen en las inmediaciones. Además, disponen de diferentes
niveles para rechazar las interferencias de ruido mediante un Software especial
eliminan otros ruidos no deseados del radar, manteniendo una perfecta imagen del
alrededor del barco.
Figura 4.7. Anulación de las interferencias. Fuente: “Simrad”
Potencia utilizada
La detección del blanco depende de la energía transmitida, y como dije
anteriormente, no hay mucha diferencia entre las dos tecnologías: En un segundo el
radar de pulso 1,2J y 4J, dependiendo del ancho de pulso seleccionado, mientras que
el FMCW irradia alrededor de 2J. Por lo que la diferencia entre ellos está en la
potencia de pico.
A parte de la diferencia de potencia de los transmisores, se puede apreciar un
diferencia en el resto de la electrónica de los radares FMCW., lo que los dotan de un
menor consumo.
77 Alba Alonso Frey
4.4. Resumen de las diferencias entre ambas tecnologías.
Tabla 4.1. Resumen de las diferencias entre radar de pulso y radar FMCW.
CARACTERÍSTICAS RADAR FMCW RADAR DE
PULSO
Detección a corta distancia Mejor Peor
Detección a grandes distancias Peor Mejor
Visibilidad de los ecos cercanos Mejor Peor
Resolución acimutal Igual Igual
Discriminación del rango Mejor peor
Supresión del clutter Mejor Peor
Requerimientos de potencia Similar Similar
Requiere modo “Stand by” No Sí
Vulnerabilidad a interferencias con otros
radares
Difícil de resolver Fácilmente
solucionable
Vulnerabilidad a interferencias con los
reflectores del propio barco
Supone un
problema
No supone un
problema
Potencias para un desarrollo futuro Comenzando su
desarrollo
Tecnología ya
desarrollada
78 Alba Alonso Frey
CAPÍTULO V:
RADARES FMCW
ACTUALES EN
EL MERCADO
79 Alba Alonso Frey
5.1. Diseño de la nueva tecnología Radar
Los diseñadores de sistemas radar han de afrontar nuevos retos a la hora de pensar en
nuevos dispositivos. La evolución actual y futura de los posibles prototipos conlleva
el desafío de conseguir sistemas más ligeros, compactos y con capacidad de
multifunción, capaces de obtener gran información sobre el blanco, más allá de su
mera posición, dirección y velocidad.
Los sistemas radar convencionales son elementos tremendamente grandes y pesados
que acarrean la creación de estructuras adecuadas para su ubicación, funcionamiento
y mantenimiento. Una de las principales metas de los nuevos prototipos es hacerlos
más ligeros y pequeños para no necesitar estas estructuras para su montaje y además
facilitar su transporte y colocación. Aparte de estas características, siempre es
interesante conseguir una mayor fiabilidad en los dispositivos, aumentando el tiempo
de vida del sistema y, por tanto, abaratando el coste total.
Para conseguir estas nuevas características: obtención de mayor información,
flexibilidad, tamaño pequeño, ligero, aumento del tiempo de vida, reducción de
coste, etcétera, el diseñador radar se puede aprovechar del desarrollo de dos
tecnologías principalmente. Por un lado el desarrollo del procesamiento digital de la
señal, que permite al radar FMCW una mejor resolución en grandes distancias. Y,
por otro lado, el desarrollo de los circuitos Monolíticos Integrados, gracias a los
cuales ya se pueden trabajar en bandas altas de frecuencias como Ka, Ku, V ó W. El
procesado digital de la señal ha evolucionado enormemente en los últimos años, el
desarrollo de dispositivos de generación Digital Directa de Señal (DDS) junto con el
de los Procesadores Digitales de Señal (DSP) de propósito general, han conseguido
que se puedan generar modulaciones de gran ancho de banda, muy alta calidad y con
un precio razonable. Esto, junto con el desarrollo de receptores capaces de muestrear
grandes anchos de banda en recepción y de almacenar y procesar la información
obtenida, ha posibilitado el desarrollo de High Resolution Radars (HRR’s). Todo
esto a un precio razonable puesto que se ha generalizado su uso para múltiples y muy
diversas aplicaciones, posibilitando el desarrollo de sistemas versátiles y
multifuncionales, es decir, la nueva generación de radares.
80 Alba Alonso Frey
5.2. Principales modelos de radar FMCW
Entre los principales modelos de radares marinos basados en la nueva tecnología de
FMCW, se puede hacer una diferenciación entre dos grupos principales: Broadband
Radar y los Chirp radar.
5.2.1. Broadband Radar
Características generales
En los denominados “ Broadband radar” podemos destacar a Northstar, Simrad, P
& G y Lowerance. Todos ellos utilizan la tecnología exclusiva y características de
los Broadban Radar, lo cual los convierte en un complemento ideal para casi
cualquier barco. Por un lado su sencillo funcionamiento lo hace ideal para las
pequeñas embarcaciones de recreo. Y por otro lado, su reducido tamaño, sus
mínimos requerimientos de energía, y sus niveles de transmisión más seguras, abren
las puertas a su uso en todo tipo de barcos. Las características principales de este tipo
de radar a destacar son:
Imagen cristalina: Gracias a la emisión continua de la señal, y de un receptor mucho
más sensible al cambio de frecuencia ocasionan una clara señal de retorno, lo que
proporciona una imagen tan clara en la pantalla del radar, que lo hace muy fácil de
entender, a parte de un nivel operacional muy sencillo.
Bajo consumo de energía: Gracias al uso de la nueva tecnología de estado sólido se
reduce la potencia de consume del radar con respecto al convencional.
Emisiones extremadamente bajas: El Broadband Radar emite una quinta parte de
las emisiones de un teléfono móvil común, por lo que lo hace sumamente seguro.
Figura 5.1. Emisiones extremadamente bajas Broadband Radar. Fuente: “Navico
Broadband Radar Essential Guide”.
81 Alba Alonso Frey
Instant ON: Estos radares pueden transmitir instantáneamente tras el encendido del
equipo, sin momento de espera.
Sintonización automática: Tienen el modo automático, donde el usuario selecciona
según el tipo de navegación, cerca de costa, en alta mar, así como rechazo de
perturbaciones.
Rechazo de interferencias: Sintoniza automáticamente las interferencias que
puedan provenir de otros radares del entorno, con diferentes niveles de rechazo.
Discriminación de rangos: a 16 millas y menos el Broadband radar tiene 5 veces
más capacidad de discriminación de rangos que el radar convencional de 2kW.
Figura 5.2. Comparativa discriminación de rango. Fuente: “Navico Broadband
Radar Essential Guide”.
Gran rendimiento en todas las condiciones meteorológicas: El Rain Clutter
reduce el ruido en la imagen asociada a la lluvia, proporcionando una imagen limpia
de los objetivos que rodean al radar.
82 Alba Alonso Frey
Gran rendimiento en distancias cortas: Mediante la superposición de gráficos de
radar se puede determinar cuáles son los objetivos fijos y cuales los móviles
Características especificas:
Simrad Broadband Radar™
DATOS TÉCNICOS/MEDIOAMBIENTALES
Alto 280 mm / 11 in
Peso 7.4 kg / 16 lbs (no cable)
Temperatura de funcionamiento -25° to +55°C (-13° to +130°F)
Resistencia del agua IPX6
Humedad +35°C (95°F) 95% RH
Estándar de clasificación de
impermeabilidad
IPX6
RADAR
Ancho de haz horizontal de la
antena [grados]
5.2°+/-10% (-3dB width) ° (Beam width with target
separation on MAX is 2.6°)
Cantidad de ruido del receptor de
la antena [dB]
6
Velocidad de rotación de la
antena
24/36/48 rpm +/- 10% (mode and MFD model
dependent)
Ancho de haz vertical de la
antena
25°+/-20% (-3dB width) °
Ancho de haz Adjustable between 2.6° and 5.2° with target separation
control (Simrad, B&G) , 2.6° (Lowrance)
Alcance de distancia [millas
náuticas]
36
Resistencia al viento del radar 51 m/sec (Max:100 Knots)
Tiempo de calentamiento del
radar [minutos]
0
83 Alba Alonso Frey
COMUNICACIONES
Frecuencia del transmisor X-band - 9.3 to 9.4Ghz
POTENCIA
Consumo de energía 20W (Typ.) @ 13.8Vdc (21W in dual range mode)
Standby:2.9W
Suministro eléctrico (voltaje de
suministro)
9V to 31.2Vdc (12/24 Volt systems) Reverse polarity
protection Minimum startup voltage 10.8vDC
OTROS
Potencia de salida [kW] (at antenna port) 165mW nominal
Información general
Descripción High Performance Broadband Radome
Ancho de antena del radar 19"
Tecnología de radar Broadband FMCW
Alcance máximo del radar 36nm
Requisitos eléctricos del radar 12v / 20 Watt
Características del radar
MARPA, Guard Zones, InstantON, Dual Range*, High
Speed*, Beam Sharpening*
*NSE and NSO only.
Tabla 5.1. Características específicas BROADBAND RADAR 4G de simrad.
Figura 5.3. Antena de un Broadband Radar de Simrad. Fuente: Simrad.
84 Alba Alonso Frey
Northstar Broadband Radar™
RADAR
Ancho de haz horizontal de la antena [grados] 5.2°+/-10% (-3dB width) °
Ancho de haz vertical de la antena [grados] 30°+/-20% (-3dB width) °
Velocidad de rotación de la antena 24 rpm +/- 10% RPMs
Ruido del radar 6 dB
Tiempo de calentamiento del radar [minutos] 0 min
Resistencia al viento 51 m/sec (Max:100 Knots)
Frecuencia del transmisor X-band - 9.3 to 9.4Ghz
Potencia de salida 100mW nominal
COMUNICACIONES
Data I/O Protocol High Speed Ethernet
DATOS TÉCNICOS Y AMBIENTALES
Montaje Bolts: 4x30xM8 - 304 stainless steel
Altura 11 in \ 280 mm
Diámetro 19.2 in \ 488 mm
Peso 16.31 lbs \ 7.4 kg
Resistencia a la humedad +35°C, 95% RH
Temperatura de funcionamiento -25° to +55°C
85 Alba Alonso Frey
POTENCIA
Suministro eléctrico (voltaje de
suministro).
9V to 31.2Vdc (12/24 Volt systems)
Reverse polarity protection vDC
Consumo de energía 17W (Typ.) @ 13.8Vdc
Consumo de energía en modo Standby 1.6W (Typ.) @ 13.8Vdc – only 110ma
OTROS
Interconnection Cable 20m standard with RJ45 thin custom
(Max 30m)
Interface Heading NMEA 2000®/NMEA 0183 with
adapter/cable kit into display
Tabla 5.1. Características específicas BROADBAND RADAR de Northstar.
Figura 5.4. Antena de un Broadband Radar de Northstar. Fuente: Simrad.
86 Alba Alonso Frey
Lowrance Broadband
Información general
Max. Range Scale 36 nm
Min. Range Scale 1/32 nm (200 ft.)
Tiempo de calentamiento del radar [minutos] 16 seconds
Velocidad rotación 24/36 RPM
Ancho del Haz (Horz/Vert) 2.6° / 25° (Effective)
DATOS TÉCNICOS/MEDIOAMBIENTALES
Montaje [S, F, B] Bolts: 4x30xM8 - 304 stainless steel
Temperatura de funcionamiento -13° to +131°F/-25° to +55°C
Diámetro [mm] 19.2 in \ 488 mm
Humedad +95°F/+35°C, 95% RH
Estándar de clasificación de impermeabilidad IPX6
Altura del producto [mm] 280
Peso 16.31 lbs \ 7.4 kg
POTENCIA
Consumo de energía 20W (Typ.) @ 13.8vDC
Suministro eléctrico (voltaje de
suministro)
9 to 31.2vDC (12/24 Volt systems) Reverse polarity
protection vDC
Consumo de energía en espera 2.9W(Typ.) @ 13.8vDC
87 Alba Alonso Frey
COMUNICACIONES
Protocolo de E/S de datos High Speed Ethernet
Potencia de salida del transmisor 165mW nominal
Frecuencia del transmisor X-band - 9.3 to 9.4GHz
GENERAL
Cumplimiento CE, FCC (ID: RAY3G4G), IC: 4697A-3G4G
OTROS
Cable de interconexión 33ft/10m standard with RI10 thin custom (Max 30m)
Interfaz: Rumbo SimNet or NMEA 0183 with cable kit into display
RADAR
Cantidad de ruido del receptor de la antena [dB] 6
Velocidad de rotación de la antena 24/36 rpm +/- 10% RPMs
Ancho de haz vertical de la antena 25 °
Resistencia al viento del rada 51 m/sec (Max:100 Knots)
Tiempo de calentamiento del radar [minutos] 0
Tabla 5.1. Características específicas BROADBAND RADAR de Lowrance.
Figura 5.3. Antena de un Broadband Radar de Lowrance. Fuente: Lowrance..
88 Alba Alonso Frey
5.2.2. Chirp Pulse Compression Radar
Estos nuevos radares marinos también basados en técnicas de FMCW, Proporciona
un inigualable rango de detección a corto y largo alcance, una gran definición de
objetivos y un clutter mínimo. Esto lo consiguen mediante la compresión de pulsos
CHIRP que garantiza la llegada de más energía a cada objeto. Todo ello mediante la
combinación de las mejores características de los sistemas radares tradicionales de
pulso y los radares FMCW. Entre los modelos a destacar se encuentra el HALO™-3
Pulse Compression Radar.
Características generales
HALO™-3 Pulse Compression Radar
Este Radar dispone de las mejores prestaciones de los nuevos Broadband Radar pero
además mejorando los aspectos donde estos fallaban:
Rendimiento a largo alcance: El radar HALO de Simrad proporciona un
rendimiento a largo alcance comparable con los radares de pulso tradicionales,
además de un rendimiento inigualable a corto alcance por debajo de los 6 metros que
hasta ahora solo era efectivo en el radar Broadband. En la figura se muestra la
comparativa
Figura 5.3. Comparativa de rendimiento a corto y largo alcance. Fuente: Trimer.
89 Alba Alonso Frey
Visualización a larga y corta distancia simultáneamente: Este radar permite
visualizar larga y corta distancia en modo “doble alcance”, con pantallas divididas
completamente independientes.
Alcance real de 48 millas náuticas mediante una antena abierta de 3 pies.
Enfoque del haz con control de separación de objetivos.
Función de doble alcance. (corto y largo alcance)
Procesamiento avanzado de señal con modos personalizado: puerto, alta mar,
Meteorología y aves. (5 modos de utilización)
Funcionamiento a alta velocidad (48 rpm)
InstantOn™: respuesta inmediata luego de su encendido (20 seg aprox.)
Seguimiento de objetivos MARPA: hasta 10 objetivos (20 con doble alcance)
Bajo nivel de emisiones electromagnéticas y radiación.
Bajo consumo energético con un funcionamiento a 12/24 V.
Compatibilidad exclusiva con las pantallas multifunción NSS evo2 y NSO evo2
de
Simrad.
ConectividaEthernet.
Exclusiva iluminación de acento LED azul en el pedestal con control de brillo.
Tabla 5.4. Características principales del HALO™-3 Pulse Compression Radar.
90 Alba Alonso Frey
Características específicas
DATOS TÉCNICOS/MEDIOAMBIENTALES
Alto 448 mm / 17.6”
Peso Sistema: 26.8Kg// Pedestal: 17.7Kg
Antenna 3”: 4.1Kg
Cable 20m: 2.3Kg
Temperatura de
funcionamiento
-25° to +55°C
Resistencia del agua IPX6
Humedad +40°C 93% RH
Estándar de clasificación
de impermeabilidad
IPX6
Radar
Ancho de haz horizontal
de la antena [grados]
2.4°+/-10% (-3dB width), 2.1/1.9/1.6° with Beam Sharpening
mode enable (Low/Med/High)
Cantidad de ruido del
receptor de la antena [dB]
5
Velocidad de rotación de
la antena
Approx. 24-48 RPM (min 20 RPM at 70 knots)
Ancho de haz vertical de
la antena
25°+/-20% (-3dB width)
Vibración del radar 2-100Hz and 20G, 100.000 cycles
Alcance de distancia
[millas náuticas]
48
COMUNICACIONES
Conexión Ethernet 10/100 BaseT, NMEA2000/NMEAO183
91 Alba Alonso Frey
POTENCIA
Consumo de energía 150W (Peak in 70kt winds)
Suministro eléctrico
(voltaje de suministro)
10.8V – 31.2V DC (12/24 Volt DC systems)
INFORMACIÓN
GENERAL
Longitud del cable 20m. optional 10m
Tecnología del Radar Solid-State X band transceiver eith Pulse Compression
Technology
Alcance máximo del radar 100m to 48 NM
Caracterísiticas del radar Peak Power Output: 25W +/- 10% under any transmit condition
Radiation Safe Distance: 100W/m2 (Occupational) at 0m –
touch anywhere; 10W m2 (public) measured at 28m, FCC
CFR47 Part 2. 1091 calculated public safe distance is 0.80m.
(Less than the swing circle of the antenna with either method).
Tabla 5.5. Características específicas del HALO™-3 Pulse Compression Radar.
Figura 5.4. Antena del HALO™-3 Pulse Compression Radar. Fuente Simrad.
92 Alba Alonso Frey
93 Alba Alonso Frey
CONCLUSIÓN
La nueva tecnología es impresionante y representa, sin lugar a dudas, un cambio
genuino en la tecnología radar. Hasta ahora la mayoría de los avances estaban
enfocados al sistema de procesamiento y muestreo de la imagen, pero esto es
diferente: Los nuevos radares basados en el uso de técnicas FMCW suponen un
verdadero cambio tecnológico en la parte del radar encargada de obtener la
información. El avance en la última década de la tecnología de estado sólido y la
apuesta de los fabricantes radar por aplicarla en los radares marinos ha sido la
causante de este importante avance. Obviamente, debemos tener en cuenta, que se
trata del inicio de esta tecnología aplicada al ámbito marítimo, por lo que
primeramente los fabricantes han hecho un enfoque a la marina de recreo, con tan
bueno resultados, que no cabe duda que en los próximos años veamos estos radares
en los grandes buques de la marina mercante.
Sin embargo, actualmente el Radar FMCW no tiene todas las ventajas necesarias, y
el uso del mismo vendrá en función de las necesidades del comprador. La principal
ventaja de esta nueva tecnología es su buen rendimiento y su gran nitidez a corto
alcance, por lo que, a día de hoy está más enfocado a buques pequeños. Una de sus
desventajas más graves es que la baja potencia de salida del transmisor es
insuficiente para detectar una RACON. En los buques mercantes, cuyo uso primario
del radar es el de evitar colisiones, con una necesidad de mejores prestaciones a largo
alcance, por el momento, el radar de pulso actual sigue siendo muy competente y
fiable.
Y es que ahora nos encontramos en el punto de comparación y escepticismo con
respecto a los nuevos radares en comparación con el tradicional radar de pulso, que
tantos años lleva en los puentes de gobierno facilitando la labor de los oficiales. Pero
el progreso tecnológico sigue su marcha, y un buen ejemplo lo tenemos en la
aviación civil. Pues cuando el magnetrón fue retirado de los radares meteorológicos
muchos expertos afirmaron que la baja potencia de transmisión (25 vatios de
potencia máxima, por ejemplo) nunca permitiría cubrir las necesidades establecidas
por los mismo. Sin embargo, hoy en día estos radares funcionan excepcionalmente
94 Alba Alonso Frey
bien, proporcionando a los pilotos beneficios tales como la detección de turbulencia,
algo impensable en los radares de pulso.
El progreso tecnológico en el radar marino no ha hecho otra cosa que empezar, pues
la buena estabilidad de la frecuencia que proporcionan los transmisores de estado
sólido traerán aun mejores e innovadoras ventajas, tales como análisis Doppler de las
rachas de viento, pero habrá que esperar un poco para eso. Sin duda es un buen
momento para no perderle la pista a esta tecnología, pues es un nuevo mundo radar
lo que se vislumbra por el horizonte.
95 Alba Alonso Frey
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